基于生物信息学的微阵列技术(生物芯片)
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基因诊断
微阵列技术的主要应用还在于疾病 的诊断。分别从正常人和病人的细胞中分 离除 mRNA 后与 DNA 芯片杂交，就可以 分别得到标准图谱和病变图谱，通过分析 比较这两种图谱，就可以得出病变的
mRNA 表达的信息，也就是基因突变的 部位，属于什么样的序列突变等。
这样的技术目前已逐步投入使用。例 如 Affymetrix 公司把 p53 基因全长序列和 已知突变的探针继承在芯片上，支撑了 p53 基因芯片，将在癌症早期诊断中发挥 作用。此外，多种诊断芯片包括结核杆菌 耐药性检测芯片、肝炎病毒检测芯片也已 经逐步进入市场。可以说，基因诊断是微 阵列技术中最具有商业化价值的应用了。
② 根据给定的样点之间的理论距离 和样点大小确定初始网格。
③ 对每个样点的初始位置进行调 整。
由于理论样点的大小已知，因此可知 每个样点含 n 个像素，每个像素的位置为 pi，强度为 zi,则样点的精确位置μ就可以 按照以下方法计算：
杂交后的芯片需要经过严格条件下 的洗涤，出去未杂交的一切残留物。而携 带荧光标记的样本结合在芯片的特定位 置上，在激光的激发下，含荧光标记的 DNA 片段发出荧光。样本与探针严格配 对的杂交分子发出的荧光强度最强（其热
基因表达分析
由于 DNA 芯片技术可直接检测 mRNA 的种类及丰度，因而成为研究基 因表达的有力工具。特别是以此达到的肿 瘤诊断，是目前芯片研究中应用最为广， 取得进展最快的一个领域。
传统的肿瘤病理分类是建立在形态 学的基础上，这种分类法现在仍被广泛使 用，但存在很大的缺陷，因为有些肿瘤细 胞在显微镜下看起来非常相似，很难做出 快速准确的判断。而运用微阵列技术，研 究人员可以同时观察数千种基因的表达 情况，以确定正常组织和肿瘤组织中哪些 基因活化，哪些高度活化，哪些静止等， 并据此对肿瘤类型做出精确的判断。
蛋白质芯片又称蛋白质微阵列 （protein microarray），是指固定在支持 介质上的蛋白质构成的微阵列。和基因芯 片类似的，蛋白质芯片也是在一个载体 上，点布相同或不同种类的蛋白质，然后 用荧光染料标记的蛋白质结合，通过扫描 仪上读出的荧光强度，计算分析出样本结 果。
微阵列技术流程
芯片制备
2
浙江大学 2010-2011 学年春夏学期《生命科学》课程论文（微观）
原位合成法是在常规的 DNA 合成技 术的基础上，直接在活化过的固相载体表 面合成众多的寡核苷酸探针，目前主要有 光引导聚合法和喷墨打印合成法两种技 术。
此外，为了使芯片上的探针能够与相 应的基因特异性杂交，必须对探针进行专 门设计，使它们有近似的熔解温度、合适 的长度等，并且和其他的基因序列无明显 的相似性。方法在此不多赘述。
Key words: Microarray; Biochip; Bioinformatics
在 21 世纪的头几年，生物学发生了重 大的变化，传统的生物学研究模式受到了 极大的挑战。随着“人类基因组计划” （human genome project, HGP）的迅速发 展，生物数据的积累速度不断加快。因 此，也就对生物数据的科学分析方法与 实用分析工具提出了更高的要求。在这 样的背景下，利用数理知识、信息和计算 机科学及技术的生物信息学 （Bioinformatics）应运而生。 而在处理 更为复杂的基因表达数据、更大的数据量 及更快的数据增长的生物信息学里，微阵 列（microarray）技术以其独特的信息挖掘， 成为了研究的热点之一，引起了广泛的重 视。
式中，
重复该算法 4~5 遍即可找出准确的样 点中心位置。
3
浙江大学 2010-2011 学年春夏学期《生命科学》课程论文（微观）
微阵列技术应用
测序
采用生物芯片测序方法有芯片毛细 管电泳测序和寡核苷酸微阵列杂交测序 两种，其中后者又称杂交测序法 （sequencing by hybridization, SBH），是 1988 年 4 个生物学研究小组同时独立地 提出的一种全新的测序技术。SBH 是利 用固定探针与样品进行分子杂交产生的 杂交图谱从而排列出待测 DNA 的序列顺 序。当然，目前 SBH 还存在若干问题， 如难于检测的 G-T 和 G-A 错配问题，还 有待进一步改进。
当然，微阵列技术仅仅是生物信息学 这棵茂盛大树的一部分，是生物信息学发 展的一个重要分支，随着 21 世纪信息时 代中微电子科学、生命科学、计算机科学 和光电化学等领域的发展，微阵列技术这 根树枝必将伸展向更为广阔的天空。
参考文献：
[1] 王翼飞.史定华.生物信息学——智能化算法及其应用. 北京：化学工业出版社，2006 [2] 蔡禄.生物信息学教程.北京：化学工业出版社,2006 [3] 吴祖建.高芳銮.沈建国.北京：科学出版社,2010 [4] [德]伦盖威尔(Thomas Lengauer).郑珩.王非 译.Bioinformatics—From Genomes to Drugs.北京：化学工业 出版社,2006 [5] 徐程.生物信息与数据处理.北京:高等教育出版 社,2006
1
浙江大学 2010-2011 学年春夏学期《生命科学》课程论文（微观）
芯片、cDNA 芯片等。其分类结构表示 如下:
生物芯片
信息生物芯片
基因芯片 蛋白芯片 细胞芯片 组织芯片
cDNA 芯片 寡核苷酸芯片
功能生物芯片
微流体芯片 芯片实验室
图 1 生物芯片分类
除此之外，生物芯片还可以根据支持 介质划分：玻璃片、硅片、聚丙烯酰胺、 尼龙膜等。根据制备方法划分：原位合成 （如光引导聚合法、喷墨打印合成法）和 离片合成法。
生物芯片种类
生物芯片的分类
生物芯片的分类方式很多，除去功能 生物芯片（function biochip），在信息生 物芯片（information biochip）方面，主要 是根据芯片上固定的指针来划分。如可分 为基因芯片（gene chip）、蛋白质芯片 （protein chip）、细胞芯片、组织芯片等。 如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探针 或 cDNA（complementary DNA，为具有 与某 RNA 链互补的碱基序列的单链 DNA），则 基 因 芯 片 又 细 分 为 寡 核 苷 酸
浙江大学 2010-2011 学年春夏学期《生命科学》课程论文（微观）
基于生物信息学的微阵列技术（生物芯片）
李卓
(工科信息 1027 班，3100103922） 摘 要: 在“人类基因组计划”的发展过程中，随着生物数据量的不断加大和数据积累速度的不断加 快，一门新兴的学科——生物信息学应运而生。微阵列技术则是生物信息学中引起广泛关注的课题之一。 本文从微阵列技术（生物芯片技术）的分类、操作流程及应用领域等方面对其作出了综合性的概述。 关键词: 微阵列；生物芯片；生物信息学
On the Technology of Microarray （Biochip） Based on Bioinformatics Li Zhuo
(Information Engineering, Class 1027，3100103922)
Abstract: During the development of “Human Genome Project”, as the amount of biological data is continually increasing and the rate of accumulation of the data is speeding up, a new kind of subjects—bioinformatics appeared. The technology of microarray is one of the most concerning ones in bioinformatics. This paper makes a general and brief introduction to the technology of microarray (biochip) in terms of its classification, operation process, application fields and so on.
药物Leabharlann Baidu选
如何分离和坚定药物的有效成分是 目前中药产业和传统西药产业所面临的 重要问题，而微阵列技术则是解决这一问 题的有效手段之一。由于微阵列技术筛选 规模大，通用性强等特点，可以利用基因 芯片，从基因水平解释药物的作用机理， 即可以利用基因芯片分析用药前后机体 的不同组织、器官基因的表达差异。另外， 如果用 cDNA 库表达得到的肽库制作肽 芯片，则可以从众多的药物成分中筛选到 起作用的有效物质。因此，微阵列技术在 药物筛选中也得到了广泛的应用。
4
浙江大学 2010-2011 学年春夏学期《生命科学》课程论文（微观）
[6] 黄德双等.生物信息学若干前沿问题的探讨.合肥:中国 科学技术大学出版社,2004 [7] 吴敏.生命科学课课件——生物信息与生物芯片 [8] 百度百科
微阵列技术简介
微阵列又称生物芯片（biochip）。这 一名词在 20 世纪八十年代，由美国海军 实验室 Carter 等科学家，在试图把有机功 能分子或生物活性分子组装，构建微功能
单元，实现信息获取、存储、处理和传输 功能时首次提出。真正的生物芯片出现在 20 世纪 90 年代，自 1995 年它诞生之时， 就被预言为具有划时代意义的生物技术， 是生物科技的一次里程碑式的飞跃。
样本（DNA 或 mRNA）制备
由于生物样本往往是复杂的生物分 子混合体，一般不能直接与芯片反应。所 以，必须将样本进行提取、扩增，提取其 中的蛋白质或 DNA、RNA，并在扩增过 程中使用荧光标记（也可用生物素、放射 性同位素等标记）。
杂交反应
杂交反应的质量和效率直接关系到 检测结果的准确性。而其又是一个复杂的 过程，受寡核苷酸探针密度、支持介质与 杂交序列间的间隔序列长度、杂交序列长 度、GC 含量等许多因素的影响。所以应 该根据探针的类型、长度以及芯片的应用 等合理、最优地选择杂交条件，以保证检 测结果的尽可能准确。
信号检测
力学稳定性最高），而不完全杂交的分子 发出的荧光强度弱，计算机将不同位点荧 光信号的强度记录下来，根据各点的强度 大小做进一步的数据判断。
数据挖掘
计算机记录下了前面过程所得到的 信息后，下一步是对数据的挖掘，即通过 有效的数据筛选和相关的统计分析，达到 我们的最终目的——得到有关样本的生 物信息。
一般数据挖掘可分为三个主要步骤： 图像处理、标准化处理以及数据分析。这 里我们主要阐述图像处理中的“网格划 分”，其他部分不再赘述。
网格划分的目的在于解决由于样点 的重叠等问题引起的图像处理困难，其方 法很多，在此介绍其中之一。在每张图中 设置一个标准点（guide spot），具体过 程如下：
① 自动搜寻标准点作为网格的起始 位置。
几种常见的生物芯片
（3） 组织芯片 组织芯片是将多种组织切片按照一
定顺序固定在玻璃片上，但与核酸或蛋白 质不同的地方在于，组织切片较大，无法 在一张玻璃片上大规模固定多个样本。同 时，组织切片的样本来源很不稳定，导致 每张玻璃片都不尽相同。这些问题仍待解 决。
（1） 基因芯片 基因芯片是目前最重要的生物芯片，
又称 DNA 芯片（DNA chip）或 DNA 微 阵列（DNA microarray）。这一技术将成 千上万的探针同时固定在支持物上，达到 一次可以对大量 DNA 分子或 RNA 分子 进行检测分析的目的。其高速度、高通量 和低成本等特点使其在诞生以后就一直 受到生物科学界的广泛关注。 （2） 蛋白质芯片
目前制备芯片主要以玻璃片或硅片 为载体，主要采用以下两种方式将寡核苷 酸片段或 cDNA 作为探针按顺序排列在 载体上： （1） 离片合成法（off-chip synthesis）
首先制备单个探针，再由阵列复制器 （ARD）或阵列机（arrayer）及电脑控制 的机器人，将不同的探针样本定量点样在 尼龙膜或硅片都能载体的相应位置上，再 由紫外线交联固定即得。 （2） 原位合成法（in situation synthesis）
微阵列技术的主要应用还在于疾病 的诊断。分别从正常人和病人的细胞中分 离除 mRNA 后与 DNA 芯片杂交，就可以 分别得到标准图谱和病变图谱，通过分析 比较这两种图谱，就可以得出病变的
mRNA 表达的信息，也就是基因突变的 部位，属于什么样的序列突变等。
这样的技术目前已逐步投入使用。例 如 Affymetrix 公司把 p53 基因全长序列和 已知突变的探针继承在芯片上，支撑了 p53 基因芯片，将在癌症早期诊断中发挥 作用。此外，多种诊断芯片包括结核杆菌 耐药性检测芯片、肝炎病毒检测芯片也已 经逐步进入市场。可以说，基因诊断是微 阵列技术中最具有商业化价值的应用了。
② 根据给定的样点之间的理论距离 和样点大小确定初始网格。
③ 对每个样点的初始位置进行调 整。
由于理论样点的大小已知，因此可知 每个样点含 n 个像素，每个像素的位置为 pi，强度为 zi,则样点的精确位置μ就可以 按照以下方法计算：
杂交后的芯片需要经过严格条件下 的洗涤，出去未杂交的一切残留物。而携 带荧光标记的样本结合在芯片的特定位 置上，在激光的激发下，含荧光标记的 DNA 片段发出荧光。样本与探针严格配 对的杂交分子发出的荧光强度最强（其热
基因表达分析
由于 DNA 芯片技术可直接检测 mRNA 的种类及丰度，因而成为研究基 因表达的有力工具。特别是以此达到的肿 瘤诊断，是目前芯片研究中应用最为广， 取得进展最快的一个领域。
传统的肿瘤病理分类是建立在形态 学的基础上，这种分类法现在仍被广泛使 用，但存在很大的缺陷，因为有些肿瘤细 胞在显微镜下看起来非常相似，很难做出 快速准确的判断。而运用微阵列技术，研 究人员可以同时观察数千种基因的表达 情况，以确定正常组织和肿瘤组织中哪些 基因活化，哪些高度活化，哪些静止等， 并据此对肿瘤类型做出精确的判断。
蛋白质芯片又称蛋白质微阵列 （protein microarray），是指固定在支持 介质上的蛋白质构成的微阵列。和基因芯 片类似的，蛋白质芯片也是在一个载体 上，点布相同或不同种类的蛋白质，然后 用荧光染料标记的蛋白质结合，通过扫描 仪上读出的荧光强度，计算分析出样本结 果。
微阵列技术流程
芯片制备
2
浙江大学 2010-2011 学年春夏学期《生命科学》课程论文（微观）
原位合成法是在常规的 DNA 合成技 术的基础上，直接在活化过的固相载体表 面合成众多的寡核苷酸探针，目前主要有 光引导聚合法和喷墨打印合成法两种技 术。
此外，为了使芯片上的探针能够与相 应的基因特异性杂交，必须对探针进行专 门设计，使它们有近似的熔解温度、合适 的长度等，并且和其他的基因序列无明显 的相似性。方法在此不多赘述。
Key words: Microarray; Biochip; Bioinformatics
在 21 世纪的头几年，生物学发生了重 大的变化，传统的生物学研究模式受到了 极大的挑战。随着“人类基因组计划” （human genome project, HGP）的迅速发 展，生物数据的积累速度不断加快。因 此，也就对生物数据的科学分析方法与 实用分析工具提出了更高的要求。在这 样的背景下，利用数理知识、信息和计算 机科学及技术的生物信息学 （Bioinformatics）应运而生。 而在处理 更为复杂的基因表达数据、更大的数据量 及更快的数据增长的生物信息学里，微阵 列（microarray）技术以其独特的信息挖掘， 成为了研究的热点之一，引起了广泛的重 视。
式中，
重复该算法 4~5 遍即可找出准确的样 点中心位置。
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浙江大学 2010-2011 学年春夏学期《生命科学》课程论文（微观）
微阵列技术应用
测序
采用生物芯片测序方法有芯片毛细 管电泳测序和寡核苷酸微阵列杂交测序 两种，其中后者又称杂交测序法 （sequencing by hybridization, SBH），是 1988 年 4 个生物学研究小组同时独立地 提出的一种全新的测序技术。SBH 是利 用固定探针与样品进行分子杂交产生的 杂交图谱从而排列出待测 DNA 的序列顺 序。当然，目前 SBH 还存在若干问题， 如难于检测的 G-T 和 G-A 错配问题，还 有待进一步改进。
当然，微阵列技术仅仅是生物信息学 这棵茂盛大树的一部分，是生物信息学发 展的一个重要分支，随着 21 世纪信息时 代中微电子科学、生命科学、计算机科学 和光电化学等领域的发展，微阵列技术这 根树枝必将伸展向更为广阔的天空。
参考文献：
[1] 王翼飞.史定华.生物信息学——智能化算法及其应用. 北京：化学工业出版社，2006 [2] 蔡禄.生物信息学教程.北京：化学工业出版社,2006 [3] 吴祖建.高芳銮.沈建国.北京：科学出版社,2010 [4] [德]伦盖威尔(Thomas Lengauer).郑珩.王非 译.Bioinformatics—From Genomes to Drugs.北京：化学工业 出版社,2006 [5] 徐程.生物信息与数据处理.北京:高等教育出版 社,2006
1
浙江大学 2010-2011 学年春夏学期《生命科学》课程论文（微观）
芯片、cDNA 芯片等。其分类结构表示 如下:
生物芯片
信息生物芯片
基因芯片 蛋白芯片 细胞芯片 组织芯片
cDNA 芯片 寡核苷酸芯片
功能生物芯片
微流体芯片 芯片实验室
图 1 生物芯片分类
除此之外，生物芯片还可以根据支持 介质划分：玻璃片、硅片、聚丙烯酰胺、 尼龙膜等。根据制备方法划分：原位合成 （如光引导聚合法、喷墨打印合成法）和 离片合成法。
生物芯片种类
生物芯片的分类
生物芯片的分类方式很多，除去功能 生物芯片（function biochip），在信息生 物芯片（information biochip）方面，主要 是根据芯片上固定的指针来划分。如可分 为基因芯片（gene chip）、蛋白质芯片 （protein chip）、细胞芯片、组织芯片等。 如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探针 或 cDNA（complementary DNA，为具有 与某 RNA 链互补的碱基序列的单链 DNA），则 基 因 芯 片 又 细 分 为 寡 核 苷 酸
浙江大学 2010-2011 学年春夏学期《生命科学》课程论文（微观）
基于生物信息学的微阵列技术（生物芯片）
李卓
(工科信息 1027 班，3100103922） 摘 要: 在“人类基因组计划”的发展过程中，随着生物数据量的不断加大和数据积累速度的不断加 快，一门新兴的学科——生物信息学应运而生。微阵列技术则是生物信息学中引起广泛关注的课题之一。 本文从微阵列技术（生物芯片技术）的分类、操作流程及应用领域等方面对其作出了综合性的概述。 关键词: 微阵列；生物芯片；生物信息学
On the Technology of Microarray （Biochip） Based on Bioinformatics Li Zhuo
(Information Engineering, Class 1027，3100103922)
Abstract: During the development of “Human Genome Project”, as the amount of biological data is continually increasing and the rate of accumulation of the data is speeding up, a new kind of subjects—bioinformatics appeared. The technology of microarray is one of the most concerning ones in bioinformatics. This paper makes a general and brief introduction to the technology of microarray (biochip) in terms of its classification, operation process, application fields and so on.
药物Leabharlann Baidu选
如何分离和坚定药物的有效成分是 目前中药产业和传统西药产业所面临的 重要问题，而微阵列技术则是解决这一问 题的有效手段之一。由于微阵列技术筛选 规模大，通用性强等特点，可以利用基因 芯片，从基因水平解释药物的作用机理， 即可以利用基因芯片分析用药前后机体 的不同组织、器官基因的表达差异。另外， 如果用 cDNA 库表达得到的肽库制作肽 芯片，则可以从众多的药物成分中筛选到 起作用的有效物质。因此，微阵列技术在 药物筛选中也得到了广泛的应用。
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浙江大学 2010-2011 学年春夏学期《生命科学》课程论文（微观）
[6] 黄德双等.生物信息学若干前沿问题的探讨.合肥:中国 科学技术大学出版社,2004 [7] 吴敏.生命科学课课件——生物信息与生物芯片 [8] 百度百科
微阵列技术简介
微阵列又称生物芯片（biochip）。这 一名词在 20 世纪八十年代，由美国海军 实验室 Carter 等科学家，在试图把有机功 能分子或生物活性分子组装，构建微功能
单元，实现信息获取、存储、处理和传输 功能时首次提出。真正的生物芯片出现在 20 世纪 90 年代，自 1995 年它诞生之时， 就被预言为具有划时代意义的生物技术， 是生物科技的一次里程碑式的飞跃。
样本（DNA 或 mRNA）制备
由于生物样本往往是复杂的生物分 子混合体，一般不能直接与芯片反应。所 以，必须将样本进行提取、扩增，提取其 中的蛋白质或 DNA、RNA，并在扩增过 程中使用荧光标记（也可用生物素、放射 性同位素等标记）。
杂交反应
杂交反应的质量和效率直接关系到 检测结果的准确性。而其又是一个复杂的 过程，受寡核苷酸探针密度、支持介质与 杂交序列间的间隔序列长度、杂交序列长 度、GC 含量等许多因素的影响。所以应 该根据探针的类型、长度以及芯片的应用 等合理、最优地选择杂交条件，以保证检 测结果的尽可能准确。
信号检测
力学稳定性最高），而不完全杂交的分子 发出的荧光强度弱，计算机将不同位点荧 光信号的强度记录下来，根据各点的强度 大小做进一步的数据判断。
数据挖掘
计算机记录下了前面过程所得到的 信息后，下一步是对数据的挖掘，即通过 有效的数据筛选和相关的统计分析，达到 我们的最终目的——得到有关样本的生 物信息。
一般数据挖掘可分为三个主要步骤： 图像处理、标准化处理以及数据分析。这 里我们主要阐述图像处理中的“网格划 分”，其他部分不再赘述。
网格划分的目的在于解决由于样点 的重叠等问题引起的图像处理困难，其方 法很多，在此介绍其中之一。在每张图中 设置一个标准点（guide spot），具体过 程如下：
① 自动搜寻标准点作为网格的起始 位置。
几种常见的生物芯片
（3） 组织芯片 组织芯片是将多种组织切片按照一
定顺序固定在玻璃片上，但与核酸或蛋白 质不同的地方在于，组织切片较大，无法 在一张玻璃片上大规模固定多个样本。同 时，组织切片的样本来源很不稳定，导致 每张玻璃片都不尽相同。这些问题仍待解 决。
（1） 基因芯片 基因芯片是目前最重要的生物芯片，
又称 DNA 芯片（DNA chip）或 DNA 微 阵列（DNA microarray）。这一技术将成 千上万的探针同时固定在支持物上，达到 一次可以对大量 DNA 分子或 RNA 分子 进行检测分析的目的。其高速度、高通量 和低成本等特点使其在诞生以后就一直 受到生物科学界的广泛关注。 （2） 蛋白质芯片
目前制备芯片主要以玻璃片或硅片 为载体，主要采用以下两种方式将寡核苷 酸片段或 cDNA 作为探针按顺序排列在 载体上： （1） 离片合成法（off-chip synthesis）
首先制备单个探针，再由阵列复制器 （ARD）或阵列机（arrayer）及电脑控制 的机器人，将不同的探针样本定量点样在 尼龙膜或硅片都能载体的相应位置上，再 由紫外线交联固定即得。 （2） 原位合成法（in situation synthesis）