基因芯片技术及其应用
C7 基因芯片技术简介
7.2 生物芯片的分类
按载体材料分： • 玻璃芯片：荧光背景低、应用方便，
材料易得，应用最广泛。 • 硅芯片 • 陶瓷芯片
按点样方式分
• 原位合成（ loci-synthetic DNA ）芯片 ：利用半导体光
蚀刻技术原位合成一定长度（~20 bp）的寡核甘酸片段。
• 微阵列（ microarray ） 芯片 ： DNA 直接点样（针点或喷
靶基因样品的标记
• 靶基因样品被标记后，与芯片上的探针分子杂交。
• 荧光标记；生物素和放射性同位素标记
• 双色荧光标记：常用标记物为荧光素Cy3和Cy5 ，分别用来 标记两中不同的样品（如样品和对照）。 • cy3：激发波长550 nm，发绿色荧光。 cy5：激发波长649 nm，发红色荧光。
标记方法
基因芯片技术的发展简史
Southern & Northern Blot
Dot Blot
Macroarray
Microarray
• 1989年，Southern获得在刚性载体表面固定寡聚核苷酸及 杂交法测序的专利 • 1992年， Affymetrix公司成功应用光导向平板印刷技术， 直接在硅片上合成寡核甘酸点阵的高密度芯片，是世界上 第一块原位合成的基因芯片。 • 1997年，美国Stanford大学Brown实验室，制作了世界上 第一张全基因组芯片（含有6116个基因的酵母全基因组芯 片）。
7.5 基因芯片的应用
• • • • • • • • 基因表达分析 基因型及多态分析 杂交测序 核酸和蛋白质相互作用的研究 疾病的诊断与治疗 药物开发 营养与食品卫生领域 环境科学领域
参考书
• 马文丽 等，DNA芯片技术的方法与应用， 广东科技出版社，2002 • 马立人等，生物芯片，化学工业出版社， 1999（第一版）
生物信息学讲义——基因芯片数据分析
生物信息学讲义——基因芯片数据分析生物信息学是指运用计算机技术和统计学方法来解析和理解生物领域的大规模生物数据的学科。
基因芯片数据分析是生物信息学研究的一个重要方向，通过对基因芯片数据进行分析，可以揭示基因在生物过程中的功能和调节机制。
本讲义将介绍基因芯片数据的分析方法和应用。
一、基因芯片数据的获取与处理基因芯片是一种用于检测和测量基因表达水平的高通量技术，可以同时检测上千个基因的表达情况。
获取基因芯片数据的第一步是进行基因芯片实验，如DNA芯片实验或RNA芯片实验。
实验得到的数据一般为原始强度值或信号强度值。
接下来，需要对这些原始数据进行预处理，包括背景校正、归一化和过滤噪声等步骤，以消除实验误差和提高数据质量。
二、基因表达分析基因芯片数据的最主要应用之一是进行基因表达分析。
基因表达分析可以揭示在不同条件下基因的表达模式和差异表达基因。
常用的基因表达分析方法包括差异表达分析、聚类分析和差异共表达网络分析等。
差异表达分析常用来寻找在不同条件下表达差异显著的基因，如差异表达基因的筛选和注释；聚类分析可以将表达模式相似的基因分为一组，如聚类分析可以将不同样本中的基因按照表达模式进行分类；差异共表达网络分析可以找到一组在差异表达样本中共同表达的基因，揭示潜在的功能模块。
三、功能富集分析对差异表达基因进行功能富集分析可以帮助我们理解这些基因的生物学功能和参与的生物过程。
功能富集分析可以通过对差异表达基因进行GO(Gene Ontology)注释，找到在特定条件下富集的生物学过程、分子功能和细胞组分等。
另外，功能富集分析还可以进行KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)富集分析，找到差异表达基因在代谢通路和信号传导通路中的富集情况。
四、基因调控网络分析基因调控网络分析可以帮助我们揭示基因间的调控关系和寻找关键调控基因。
基因调控网络是基于差异表达数据构建的，它可以包括转录因子-靶基因调控网络和miRNA-mRNA调控网络等。
生物芯片技术
生物芯片检测的原理
生物芯片能同时检测样本中的多个生物大分子，检测原 理是利用特异性的分子间相互作用，如核酸杂交、抗原-抗体 特异性结合、蛋白-蛋白间特异性结合等，将待测样品标记后 与生物芯片反应，样本中的标记分子与芯片上的探针对号入 座，标记的待测样本与之结合、反应后，通过激光共聚焦荧 光扫描仪等检测手段获取信息，经计算机系统处理，分析得 到信号值。信号值代表了结合在探针上待测的样本中特定的 大分子的信息。 由于芯片上可以固定成千上万的探针，因此可以同时检 测样本中成千上万的生物大分子。因此一次芯片实验就完成 了成千上万个传统实验，即一次生物芯片反应是多次传统试 验的集成。
生物芯片的主要特征
生物芯片是高度集成的,机电一体化的检测系统, 借助于计算机自动收集、储存、分析和报告检测信息， 其主要特征是： 高通量——提高信息量；
平行化——提高信息的可比性；
微量化——降低待测样品用量； 自动化——提高工作效率； 低成本——可迅速普及推广。
生物芯片类型简介
生物芯片技术发展迅速，在原来的微阵列芯片基础上， 产生了新的生物芯片类型，因此广义的生物芯片是指能对生 物成分或生物分子进行快速并行处理和分析的厘米见方的固 体薄型器件，下面主要简单介绍四种类型的芯片：
基因芯片概念
组织芯片（tissue chip)
组织芯片技术又称组织微阵列（tissue microarray, TMA),是近年来发展起来的以形态学为基础的分子生物学新 技术。 组织芯片技术可以将数十个甚至上千个不同个体的临床组 织标本按预先设计的顺序排列在一张玻片上进行分析研究， 是一种高通量、多样本的分析工具。它使科研人员第一次有 可能同时对几百甚至上千种正常或疾病以及疾病发展不同阶 段的自然病理状态下的组织样本，进行某一个或多个特定的 基因或与其相关的表达产物的研究，是在一张切片上高通量 获取组织学、基因和蛋白表达信息的新方法，因而备受组织 病理学家的青睐。
分子生物学技术在食品安全中的应用
分子生物学技术在食品安全中的应用食品安全一直是人们关注的焦点之一。
随着科学技术的不断发展，分子生物学技术在食品安全领域的应用逐渐得到广泛关注。
本文将探讨分子生物学技术在食品安全中的应用，并分析其优势和局限性。
一、基因检测技术1. PCR技术聚合酶链式反应（PCR）是一种广泛应用于食品安全领域的分子生物学技术。
它通过扩增DNA片段，可以快速、准确地检测食品中的病原微生物和污染物。
2. 基因芯片技术基因芯片技术利用微阵列芯片上固定的探针，可以同时检测大量基因，实现高通量的基因分析。
在食品安全中，基因芯片技术可以用于检测食品中的转基因成分和潜在的病原体。
二、基因编辑技术1. CRISPR-Cas9技术CRISPR-Cas9技术是一种新兴的基因编辑技术，已经用于食品安全领域。
通过CRISPR-Cas9技术，可以精确地编辑食品作物中的基因，改良其产量、抗病性等性状，提高食品的质量和安全性。
2. 基因驱动技术基因驱动技术是一种新型的基因编辑技术，可以使遗传改变在自然种群中快速传播。
在食品安全中，基因驱动技术可以用于控制害虫的繁殖和传播，减少农药的使用，提高食物的安全性。
三、基因组学研究1. 可疑物质追溯基因组学研究可以通过分析食品中的DNA序列，追溯食品的来源和生产过程。
如果发现食品中存在可疑的物质，基因组学研究可以帮助确定其来源和是否符合安全标准。
2. 基因组数据库建设基因组数据库可以收集和整理各类食品中的基因组信息，为食品安全监管和溯源提供支持。
通过基因组数据库，可以更好地监测食品中的基因改良成分和潜在风险。
四、优势和局限性分子生物学技术在食品安全中的应用具有以下优势：高灵敏度、高特异性、高通量、快速、准确。
这些技术可以大大提高食品安全水平，减少安全隐患。
然而，分子生物学技术在食品安全中仍然存在一定的局限性：高成本、复杂操作、技术要求高。
此外，部分新兴的基因编辑技术引发了道德和伦理等方面的争议，需要更进一步的研究和讨论。
生物芯片的设计和应用
生物芯片的设计和应用生物芯片是一种将微生物学、化学、物理学、电子学和计算机科学相结合的高新技术产物，通过制造密集电极和传感器，使能量和信息在细胞水平上进行交换。
随着现代生物和医学领域的发展，生物芯片技术越来越得到广泛的应用。
本文将具体介绍生物芯片的设计和应用，以增加大家对这一技术的了解。
一、生物芯片的设计生物芯片的设计涉及到许多技术领域，其中最重要的是微流控芯片技术。
微流控技术是一种将微控制技术应用于流体领域的技术，它通过微型加工技术，在芯片上构建微流道系统，控制微米级别的流动，实现微小颗粒的流动、操纵和控制。
生物芯片通常采用微流控技术，将生物分子（如蛋白质和DNA）放在芯片上，使用微流控系统对生物分子进行捕获和分离。
微流控技术能够实现非常高的集成度和高灵敏度，特别适用于遗传学、药物筛选、生态环境等多个领域。
二、生物芯片的应用1. 基因芯片基因芯片是最常见的生物芯片之一，它通过技术手段将基因分子固定在芯片上，并使用探针（probe）来检测芯片上的基因。
通过检测基因的表达情况，人们可以了解不同种类的生物在不同条件下的表达差异，进而研究生物的遗传信息和生理功能。
基因芯片的应用领域很广，如基因表达谱分析、疾病诊断和个性化治疗等。
2. 蛋白芯片蛋白芯片是一种用于检测蛋白质水平的生物芯片。
与基因芯片类似，蛋白芯片也可以用于疾病诊断和治疗。
蛋白芯片通常使用抗体或其他识别分子作为探针，检测样品中的特定蛋白质。
通过分析蛋白质的表达差异，可以为药物研发、疾病的早期检测、治疗方案的个性化制定等提供重要的信息。
3. 细胞芯片细胞芯片是一种将活体细胞和芯片结合的生物芯片。
细胞芯片能够实现对整个细胞或细胞组分的分析和操纵。
通过对细胞进行操纵和控制，人们可以深入了解细胞生物化学过程和细胞信号传递等机制。
细胞芯片的应用领域包括免疫学、细胞学、药物筛选等。
4. 环境监测芯片环境监测芯片是一种用于监测环境中有毒有害物质的生物芯片。
基因芯片技术在癌症研究中的应用
的乳 腺 癌 细 胞 系 和 １ 个 体 外 培 养 的 乳 腺 １ 癌 细胞 系 进 行 表 达 谱 分 析 ， 据 表 达 根 谱 的 相 似性 将 其 分 为 Ａ 类 、 Ｂ＋ｃ类 和 Ｄ 类 。 其 中 Ａ类 对 以 表 阿 霉 素 为 基 础 的化 疗敏感 ， 而其 他 两类 则不 敏 感 。 化 疗 后 Ａ
类 患 者 的 ５年 生 存 率 及 无 转 移 存 率 分 别 为 ｌ ０ 和 ７ ％ ， ＋ Ｃ 类 ６ ％ 和 ０％ ５ Ｂ ５
５％ 。 ６ Ｉ ）类 ４ ％ 和 ２ ％ ， 项 研 究 表 明利 ０ ０ 这
下 基 因芯 片 在 癌 症 研 究 中的 应 用 。
的 多阶段 过 程 。 通 常 由 于 某 些 基 因 突 变
引 起 有 丝 分 裂 过 程 中 的微 管 极 化 ， 进 鼻 促
咽 癌 细 胞 有 丝 分 裂 过 程 。 Ｃ Ｃ 上 调 说 Ｄ ２ 明 患者 细胞 周 期 信 号 活跃 ， 可 能 是 肿 瘤 这
细 胞 生 长失 调控 的 原 因 。
用 基 因 芯 片 技 术 检 测 化 疗 前 后 基 因 表 达 谱 的 改 变 可 以预 测 乳 腺 癌 患 者 的 预 后 。 Ｇ ｂｏ ｓａ等 为 了 研 究 出 不 同分 级 的 ａ ｒｖｋ 乳 腺 癌 相 关 的 基 因表 达 谱 ， 取 包括 良性 提 肿 瘤 在 内 的石 蜡 包 埋 的乳 腺 Ｉ Ｃ 的 组 织 Ｄ 样 本 （ 级 Ｉ ～１） 等 １ ”， 用 Ａ ｆ ｔ ｘ Ｉ 利 ｆ ｍｅ ｉ ｙ ｒ 基 因 芯 片来 确 定 基 因 的 表 达 谱 ， 以 Ｑ — 并 Ｐ Ｒ验 证 。结 果 表 明 ，７ Ｃ １ ８基 因 相 比较 良 性 组 织 和 三 个 等 级 的 恶 性 乳 腺 肿 瘤 之 问 有显著差 异 （ Ｐ＜０ ０ ） 从 基 因 表 达 谱 ．１ 。 分 析 中发 现 两 个 重 要 的 候 选 基 因 Ｃ １ Ｉ ０ Ｄ
基因芯片技术及其在肿瘤基因组学中的应用
种 强有 力 工 具 。 扼 要 绍基 因芯 片 、 达 谱 芯 片 技术 和 原 理 ， 厦 基 园 芯 片被 术 在 肿 瘤 基 因组 学 中 的应 用 。 表
美 键 词 ： 基 园 芯 片 ；Ｄ Ａ 镟 阵 列 ；表 达 谱 芯 片； 肿擅 基 因组 学 Ｎ
中圈分类号 ： ７ ９ Ｑ ８
ｇｅ ｏ ｃ ． ｎ ｍｉ ｓ
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：
ｇ ｎ ｈｐ ｅ ｅ ｃ ｉ ；Ｄ ＮＡ ｃ ｏ ｒａ ；ｅ ｐ ｅ ｓｏ ｍｆ ｃ ｉ ；ｃ ｎ ｅ ｅ ｏ ｃ ｍｉ ｒａ ｒ ｙ ｘ ｒ ｓｉｎ ｐ ｉ ￣ ｈ ｐ ａ ｃ ｒ ｇ ｎ ｍｉｓ
肿瘤 的发 生与发展实质是一个 克隆演化过程 越来越多 的证据表 明，在克隆演化过程 中的不同阶段存在不 同基因 的 激活和， 失活及其 复杂的相互作用 ． 研究肿瘤发生的分子 或 给 机制 带来 报大的挑战 。 同时． 肿瘤 细胞 有遗传物质不稳定 的倾 向， 给肿瘤相关基因的分离与鉴定带来困难。 随着人类基 因组 计划 （ Ｇ ） Ｈ Ｐ 的顺利实施， 产生 了大量 的数据 、 息， 信 并发展了
综
述
基 因芯片技术及 其在肿瘤基因组学中的应用
洪 靖君 何祥 火 ， 杨 劲松
（．安 嫩农 业 大学 蚕 皿 丝绸 系，旮肥 ２ ０３ ； １ ３０ ６
２ ．上 海 市 肿 瘤研 究所 癌 基 因及 相 关基 因国 家重 点 卖验 室
３ ．上 海 第二 医科 大学 生化 教研 室 分 子 生物 学 卖验 室 ） 搐 要 ： 基 囤 芯 片又 祢 ＤＮ 擞 阵列 ， 为 ｃ Ｎ 微 阵 列 和寡 聚枝 苷酸 徽 阵列 。ＤＮ Ａ 舟 ＤＡ Ａ徽 阵 列 技 术 是 挥 索 基 圆组 功 能 的
基因芯片技术原理
基因芯片技术原理基因芯片技术是一种高通量基因分析技术，可以同时检测和分析大量基因的表达水平、基因突变和基因型等信息。
基因芯片技术利用了DNA、RNA、蛋白质等生物大分子的亲和性和特异性相互作用，在一个小芯片上固定上千至百万个特定的核酸序列或蛋白质，从而实现多个基因或蛋白质的高通量检测和分析。
首先是芯片设计。
芯片设计是基因芯片技术的关键步骤之一，需要依据研究目的选择合适的探针，将目标基因的序列信息或基于已知基因的特定序列设计成探针。
常用的基因芯片包括全基因组芯片、差异表达芯片、SNP芯片和甲基化芯片等。
全基因组芯片包含了整个基因组的探针，能够对全基因组的表达水平进行分析；差异表达芯片是基于不同样品之间基因表达的差异，通过比较样品间的信号差异来鉴定差异基因；SNP芯片用于检测单核苷酸多态性位点的基因型；甲基化芯片则用于分析DNA的甲基化水平。
接下来是样品制备。
样品制备是基因芯片技术的另一个重要步骤，主要包括核酸提取、标记和杂交等过程。
首先需要从样品中提取出目标核酸（DNA或RNA），并进行高质量的纯化和放大。
接下来，需要对提取的核酸进行标记，常用的标记方法包括荧光标记和生物素标记等。
标记后的核酸样品将通过特定的杂交液处理，与芯片上的探针发生特异性杂交反应。
然后是杂交。
杂交是基因芯片技术的核心步骤，即将标记后的核酸样品与芯片上的探针进行特异性结合，形成揭示目标基因表达或突变水平的信号。
通常采用液相杂交或固相杂交的方式，将标记的核酸样品与探针共同放置在芯片上，通过温度和盐浓度的控制，使核酸与探针之间发生特异性结合。
结合完毕后，通过洗涤去除非特异性结合的核酸，进一步提高信号的特异性。
最后是信号检测。
信号检测是基因芯片技术的最后一步，主要通过荧光扫描、激光检测等方法来获取芯片上的信号，并将其转化为数值化的数据。
在芯片表面固定的探针与杂交样品结合形成亲和复合物后，根据标记的方式可以得到荧光信号。
通过高分辨率的扫描仪或激光检测仪，可以获取芯片上每个探针的信号强度。
芯片技术在分子诊断中的应用
芯片技术在分子诊断中的应用随着科技的不断发展，越来越多的领域开始使用芯片技术，其中包括医疗领域。
在分子诊断中，芯片技术的应用已经逐渐普及。
接下来，我们将详细探讨芯片技术在分子诊断中的应用。
一、分子诊断的定义和原理分子诊断，又称为分子生物学诊断，是一种利用分子生物学技术对人体进行诊断的方法。
其核心原理是通过检测和分析生物体内不同的分子，如DNA、RNA、蛋白质等，以确定疾病的发生和进展情况。
分子诊断的出现，不仅可以提高诊断准确率，还能帮助医生更好地制定治疗方案。
二、芯片技术在分子诊断中的应用1.基因芯片基因芯片又称基因晶片，是一种可以同时检测成千上万个基因表达情况的技术。
当人体受到某种刺激或处于不正常状态时，基因会发生变化，其产生的mRNA则可以检测出基因表达的差异。
基因芯片在肿瘤细胞、感染性疾病和微生物等领域中有着广泛的应用。
通过检测基因表达情况，可以为病人制定更为针对性的治疗方案，从而提高治疗效果。
2.蛋白质芯片蛋白质芯片是一种可以高通量检测蛋白质互作和功能的技术。
当人体受到刺激或疾病侵袭时，细胞内部的蛋白质会发生变化。
通过检测这些变化，可以确定疾病的发生和进展情况。
蛋白质芯片取得了在癌症、心血管疾病等领域的广泛应用。
与传统的检测方法相比，蛋白质芯片具有高通量、高灵敏度、高特异性等优势。
3.微流控芯片微流控芯片是一种可以对微小流体进行控制和分析的技术。
通过将检测样本和试剂混合在芯片的微小流道中，并对其进行操控，可以高效地完成分子检测过程。
微流控芯片取得了在病原微生物检测、DNA分析、癌症筛查等领域的广泛应用。
与传统的检测方法相比，微流控芯片具有更高的通量、更低的标本需求、更快的检测速度等优势。
三、芯片技术在分子诊断中的优势芯片技术在分子诊断中的应用，具有以下优势：1.高通量：芯片技术可以一次性检测成千上万个分子信息，大大缩短了诊断时间，提高了诊断效率。
2.高灵敏度：芯片技术对样本数量的要求很低，可以通过少量样本获得高灵敏度的结果，避免了传统检测方法的影响。
基因芯片技术32页PPT
世界十大基因芯片研制单位简要情况一览
公司 Affymetrix （美国）
Brax（ 英国）
阵列方法
20-25mer 探针光引导 合 成 在 1.25/5.25cm2 的硅片
Oligo 合 成 后 结 合 于 芯片上
Hyseq（美国） 500-2000ntDNA 样品 印 刷 于 0.6cm2/18cm2 的膜
德国癌症研究 所（德国）
压 电 打 印 PCR 产 物 或 芯 片 上 合 成 Oligos
500-5000nt 的 cDNA 用 笔 打 印 于 10 cm2 玻璃片 预 组 装 的 20mer 的 探 针俘获于电活化芯片 位点 通过打印于表面张力 阵 列 将 40-50mer O ligo 合 成 于 9 cm 2 玻璃片 20-25mer 探 针 合 成 后 打印成阵列 500-5000nt cDNA 用 滴头打印于 4 cm2 的 玻璃片 约 1000 个 PNA 合 成 于 8× 10 cm2 的 芯 片
七、基因芯片当前研究状况
现在全世界已有十多家公司专门从事基因芯片 的研究和开发工作，而且已有较为成型的产品和设 备问世。这些公司主要以美国的Affymetrix公司为 代表，该公司聚集有多位计算机、数学和分子生物 学专家，其每年的研究经费在一千万美元以上，且 已历时六七年之久，拥有多项专利。产品即将或已 有部分投放市场，产生的社会效益和经济效益令人 瞩目。详情如下表所示：
基 因 芯 片 (Gene chip) 又 称 DNA 芯 片 （DNA Chip）或生物芯片(Biological chip，不过该词尚包括肽芯片等其它类 型),它是指将大量探针分子固定于支持物 上，然后与标记的样品进行杂交，通过 检测杂交信号的强度及分布进而对靶分 子的序列和数量进行分析。
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百度文库 - 好好学习，天天向上 -1 基因芯片技术及其应用 郑敏 （临沂大学生命科学学院，山东 临沂 276000）
摘要 基因芯片(DNA芯片,微阵列)是20世纪后期在杂交理论基础上发展起来的又一个分
子生物学技术.将大量的核苷酸探针以点阵列方式排列于特定的固相支持物上,与放射性或荧光标记的样品靶DNA杂交,通过激光共聚焦等技术来分析靶DNA的存在和量的方法.基因芯片技术已基本实现了自动化,应用于功能基因研究、杂交测序、药物筛选诊断、基因表达、基因多态性和突变检测等,在生物学、医学、制药学、环境保护学和农林业等领域上都有极为广阔的应用前景。 .关键词 基因芯片；微阵列；分子生物学；基因表达 基因芯片（genechip）是生物芯片（biochip）的一种，又称DNA芯片、DNA微阵列（DNA microarray）、寡核苷酸阵列（oligonucleotide array），是20世纪90年代初随着人类基因组计划的发展而兴起的技术。基因芯片是按预先设计的阵列方式，把大量核酸片段固定在载体基片上，组成密集的按序排列的探针集群，通过与标记样品核酸杂交，检测其杂交信号，从而达到判断靶核酸的有无或数量的目的[1].基因芯片技术室当今生命科学领域集微电子学、生物学、化学、计算机科学于一体的高度交叉的一项尖端应用型新技术，现已成为国际上的前沿和热点[2]。现将基因芯片技术及其应用作一综述。 1 基因芯片技术的产生和发展 21 世纪将是生命科学的世纪, 基因芯片技术是近年产生的一项生物高新技术, 它将像计算机一样成为 21 世纪即将来临的又一次新兴革命的奠基石[]。基因芯片技术的产生与发展与人类基因组计划(Human Genome Project, HGP) 的研究密不可分[5]。人类基因组的大量信息需要有一种快速、敏感、平行检测的技术,随着越来越多的基因被解码, 基因的功能研究成为迫切需要解决的课题。在这一背景下, 以基因芯片技术为主体的生物芯片诞生了, 它被誉为是 20 世纪 90 年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一。基因芯片技术充分结合并灵活运用了寡核苷酸合成、固相合成、PCR 技术、探针标记、分子杂交、大规模集成电路制造技术、荧光显微检测、生物传感器及计算机控制和图像处理等多种技术, 体现了生物技术与其他学科相结合的巨大潜力。 百度文库 - 好好学习，天天向上 -2 基因芯片技术的理论基础是核酸杂交理论, Southern 印迹可以看作是生物芯片的雏形; 其后, 人们又发明了一个以膜片为介质基础的克隆库扫描技术, 引入了克隆与杂交型号相对应的概念, 在此基础上, 分格筛选技术得到了应用; 1989 年 Ed Southern提出了利用在玻片表面固定的核苷酸探针进行基因序列测定的实验设计; 而真正使基因芯片技术发展并实用化的, 是得益于非孔固相支持介质的使用和高密度原位合成核苷酸两项技术的发明, 从而推进了基因芯片产品的商业化。在美国硅谷, 1991 年Affymax 公司开始了生物芯片的研制, 1992 年从 Affymax 派生出来的世界上第一家专门生产生物芯片的公司 Affymetrix 宣告成立。Forder( 现任 Affymetrix 总裁) 及其同事在 20 世纪 90 年代初发明了一种利用光刻技术在固相支持物上光导合成多肽的方法, 在此基础上于 1993 年设计了一种寡核苷酸生物芯片, 1996年制造出了第一块商业化的基因芯片。1994 年在美国能源部防御研究计划署、俄国科学院和俄国人类基因组计划 1 000 多万美元的资助下研制出了一种生物芯片, 用于检测 β- 地中海贫血病人血样的基因突变。1998 年美国的纳米基因公司(Nanogen) 利用生物芯片在世界上构建了首例缩微芯片实验室, 该成果被美国期刊选入 1998 年世界 10 大科技突破之中。 最近几年, 国际上掀起了基因芯片设计热潮, 使基因芯片技术得到不断完善和发展, 出现了多种芯片技术。最初的芯片主要目标是用于 DNA 序列的测定、基因表达图谱鉴定及基因突变体的监测和分析, 因此称为基因芯片。但目前这一技术已扩展到非核酸领域, 如已出现了蛋白质芯片分析技术、Biacore 技术和丝网印刷技术等。在这一发展趋势下, 芯片技术现多被称为生物芯片技术。根据芯片上固定的探针的不同, 可将生物芯片分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片等; 根据原理的不同, 可以分为元件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片等新型生物芯片; 根据所进行的反应过程, 可将生物芯片分为生物样品的制备芯片、PCR 芯片、毛细管电泳芯片及 PCR 毛细管电泳芯片等[6-9]。 2 基因芯片的原理 基因芯片是利用核酸杂交原理来检测未知分子的.其基本原理是首先将一定规模的核酸片段(cDNA、EST或寡聚核苷酸)作为识别分子,按预先设置的排列固定于一种特定的固相支持载体(纤维素、硝酸纤维素、尼龙、硅片、金片及载玻片等)的表面,利用基因的碱基配对原理和印迹杂交技术等,与来自不同细胞、组织或整个器官的mRNA反转录生成的第一链的探针杂百度文库 - 好好学习，天天向上 -3 交,通过特殊的检测系统来分析各种生物分子存在的量的一种技术.基因芯片具有可同时并行分析成千上万种生物分子的优点,并有可自动化、微型化的特点.非常适合于基因诊断和表达分析等. 3 基因芯片技术 基因芯片技术可分解为DNA阵列的构建和印制、探针靶的制备、杂交和检测、数据收集与分析4个主要部分. DNA阵列的构建和印制 根据芯片种类的应用目的的不同,芯片核酸阵列的构建方式也不相同.首先是根据研究目的选用合适的寡核苷酸、cDNA片段或特定的功能基因等,按统计方式事先构建成点阵列.然后,将所需用的核酸片段就位合成于芯片上,或以大致相当的浓度,变性后采用手工或机械的方法,按一定的排列方式点样在特定的固相支持物上,前者称为原位合成,后者可有压电打印和直接点样两种方法. 靶样品的准备 靶样品就是DNA样品,主要来源是从生物细胞中提取mRNA后经转录成cDNA,通常采用常规的基因分离、反转录、扩增的标记等.为了获得杂交信号,在扩增过中加同位素或化学荧光进行标记.同位素常用P32/P33/S35.使用Cy3-dUTP、Cy5-dUTP等荧光标记,没有同位素的放射危险性,通过激光共聚焦扫描仪器寻址测读,具有很高的分辨能力、极高的灵敏度和定位功能,是目前广泛用于芯片杂交结果判读的标记方法.荧光标记染料已开发出了数10种. 杂交和检测 杂交条件的选择与研究目的有关.如进行多态性分析或基因测序时杂交要求比较严谨;表达检测时则需要较长的杂交时间,较高的样品浓度及较低的杂交温度;突变检测主要是鉴别单碱基的错配,需时较短,但杂交严谨度要求更高.通常探针靶样品与芯片进行杂交12～18 h.探针质量对杂交结果有很大影响,经纯化的探针与芯片杂交结果的信噪比低,阳性信号比较强.杂交后要进行严谨漂洗程序.检测主要是将用于标记的放射性或荧光标记等,通过放射自显影或激光共聚焦显微镜扫描来检测杂交信号的强弱和分布. 数据收集和分析 将经荧光或激光共聚焦扫描得到的图像输入计算机,按不同的研究目的,用专门软件对杂交百度文库 - 好好学习，天天向上 -4 产生的印迹进行数据的自动化处理和定量分析.其基本步骤为样品斑点的确定、图像背景的识别和扣除,所得的数据经正态化后,进行统计分析,得到基因的表达图谱[10]。 4 基因芯片的应用前景 DNA序列测定 序列测定是最初发展基因芯片技术的动力之一.经典的测序是用Sanger和Maxan-Gilbert方法,但其效率、费用和可靠性远不能满足大规模测序的要求,随着人类基因组计划(HGP)的实施,开发了杂交测序(SBH)方法,例如,通过将未知序列与大量的短链寡聚核苷酸集合杂交重建目标DNA序列,用65 536个寡聚核苷酸阵列,可测定200 bp长的DNA序列,用67 108 864个寡聚核苷酸阵列,可测定数千个bp长的DNA序列.Ha-cia等用含有48 000个寡聚核苷酸的高密度微阵列分析了黑猩猩与人BRCAI基因序列差异,结果发现在外显子11约 kb长度范围内的核苷酸序列同源性在%～%之间,高度显示了二者在进化上的相似性[11]. MurkChee等人用含有13 500个探针的序列测定了全长为 kb的人类线粒体基因序列,准确率高达99%. 基因表达水平的检测 以 DNA、cDNA 或寡核苷酸为探针制备的 DNA 芯片, 可直接平行检测大量 mRNA 的丰度, 而应用于基因表达的研究。基因芯片应用于基因水平检测的最大优越性是可以自动、快速检测目的材料中成千上万个基因的表达情况, 这是常见的基因表达水平检测法不可比的。目前, 基因芯片技术已在部分植物、细菌、真菌的整个基因组范围内对基因表达水平进行了快速检测, 该技术还可用于检测各种生理、病理条件下人类所有基因表达的状况。 基因点突变及多态性检测 可根据已知基因的序列信息设计出含有成千上万不同寡核苷酸探针的 DNA 芯片, 再用荧光标记待测 DNA, 如二者完全匹配则杂交后结合牢固, 荧光强度高, 如不完全匹配则荧光强度弱或无, 由此可判断点突变的存在与否及部位和个数。如对 N 个碱基长度序列的每个碱基进行筛查, 则需 4N 个探针即可。一般1.28 cm的支持物上可载 16 000 个探针, 可用于 4 000 kb 碱基序列的筛查。 寻找可能致病的基因和疾病相关基因 用 cDNA 微阵列技术通过比较组织细胞基因的表达谱差异, 可以发现可能致病的基因或疾病相关基因, 实现对疾病快速、简便、高效的诊断。基因诊断是基因芯片最具商业价值的应