基因芯片

基因芯片技术及应用
田燕丹130820005 微生物专业
摘要：基因芯片技术是随着人类基因组计划的实施而发展起来的一种前沿生物技术，具有高度平行性、多样性、微型化和自动化的特点。

它涉及物理学、化学、生物化学、核酸化学、分子生物学、计算机科学等多个学科，是多学科多技术交叉的结晶。

目前在基因组学研究、基因序列分析、疾病诊断、药物筛选、环境监测等方面得到了广泛的应用。

本文就基因芯片的原理、分类、制备、应用四个方面对其进行介绍。

关键词：基因芯片；原理；分类；制备；应用
1 基因芯片的工作原理
基因芯片又称DNA芯片、DNA微阵列，它是由大量已知序列的DNA或者寡核苷酸探针密集排列所形成的探针阵列，是最主要的且发展最早、最快的一种生物芯片。

与传统的基因检测技术相比，其最大特征是能同时定量或者定性的检测成千上万的基因信息，并且具有微型化、自动化、网络化等特点，使得该技术的到了迅速的普及与应用。

基因芯片借用了计算机芯片的原理，运用缩微技术，把已知序列核酸密集有序地排列固定在固相平面载体预先设置的区域内，形成微型的检测器件，再将待测样本标记后同芯片进行杂交，检测原理是利用核酸的碱基互补配对原理，样本中的标记分子与芯片上的配对探针分子特异性结合，通过激光共聚焦荧光扫描仪或其他检测手段获取信息，经电脑系统处理、分析得到结合在探针上的待测样本中特定大分子的信息，从而检测对应片段是否存在、存在量的多少。

由于能够实现生物信息的大规模检测分析，基因芯片成为了一种进行DNA序列分析及基因表达信息分析的强有力工具。

2基因芯片的分类
根据制备方式、芯片介质、探针类型等的不同，基因芯片可分成许多类型[1]。

2.1根据芯片的制备方式
根据芯片的制备方式，可以将基因芯片分为两大类：原位合成芯片和直接点样(合成后点样)芯片。

与直接点样芯片相比，原位合成芯片精确度高、密度高，但其成本也高，设计、制备繁琐。

2.2 根据芯片的介质分类
芯片根据固相支持物(基片)的种类不同，可以分为玻璃芯片、膜芯片、塑料芯片等。

其中以玻璃和膜介质最为常见。

早期的点样芯片以膜基片为主，现在的点样芯片以玻璃基片为主，与传统的膜介质相比，玻璃类介质具有以下主要优点。

①DNA样品可以共价结合到表面修饰后的玻璃表面，结合更牢固。

②可以承受高温处理和高离子强度溶液的清洗，膜则需要用温和的清洗。

③玻璃的无孔表面在杂交时只需要较少的样品，可以在一定程度上缩短杂交时间。

④由于玻璃表面荧光背景一般较低，使得杂交信号更加清晰。

⑤可用双色荧光标记两种探针，数据准确度高；膜则只能用同位素标记探针，数据可靠性差。

⑥玻璃的点样密度远远高于膜的点样密度。

当然，膜介质也有其独特的优点，如操作比较简单、设备比较便宜等。

一般膜介质适用于初期实验条件的摸索。

在具体的实验过程中，应该根据实验需要对这两种芯片。

2.3 其他分类
根据探针类型区分，可分为寡聚核苷酸芯片、cDNA芯片等；根据芯片的应用区分，可以分成用于检测基因表达水平的表达谱芯片、用于疾病检测的诊断类芯片、用于确定基因组中单核苷酸多态性的SNP分型芯片、用于基因序列测定的DNA测序芯片等。

3 芯片的制备
基因芯片的制备主要包括两种方法：原位合成法和点样法。

原位合成法是在固相介质表面特定区域逐个碱基地合成已知序列的寡聚核苷酸探针。

主要有光导合成法和喷印合成法。

光导合成技术是利用固相化学、光敏保护基及光刻技术得到位置确定、高度多样性的化合物集合。

采用的技术原理是在合成碱基单体的5'羟基末端连上一个光敏保护基。

合成的第一步是利用光照射使羟基端脱保护，然后一个5'端保护的核苷酸单体连接上去，这个过程反复进行直至合成完毕。

使用多种掩盖物能以更少的合成步骤生产出高密度的阵列，在合成循环中探针数目呈指数增长。

喷印合成法原理与喷墨打印类似，不过芯片喷印头和墨盒有多个，墨盒中装的是四种碱基等液体。

喷印头可在整个芯片上移动并根据芯片上不同位点探针的序列需要将特定的碱基喷印在芯片上特定位置。

该技术采用的化学原理与传统的DNA固相合成一致，因此不需要特殊制备的化学试剂。

直接点样法是将微量的寡聚核苷酸片段、cDNA或蛋白质等通过特定的高速点样机器人直接排列到玻片等介质上，生物大分子探针通过共价键或离子键与特殊处理的玻片相连，从而制备成芯片。

主要有两种方法：接触式点样和非接触式点样。

前者通过刚性的点样针接触基片表面形成样点，是使用最多的方法。

非接触式点样由微量液体分配系统喷出一定体积的液体形成样点，点样针不接触基片表面。

4基因芯片的应用实例
4.1在基础研究中的应用
4.1.1基因表达的检测分析
基因芯片已被用来测定植物、细菌和人类等样品中的基因表达水平。

1995年Schena将拟南芥基因组的45种基因点到玻璃上，研究了其根与叶两种组织中基因的差异表达，这是基因芯片首次应用于检测基因表达分析。

Raulf等曾利用基因芯片技术分析了同种异体移植后组织细胞基因表达的变化，并对对移植的效果进行监测及预测。

近来北京林业大学的钮世辉等人以油松单基因簇信息，设计并定制了油松表达谱芯片，通过对雌雄球花基因表达芯片分析，筛选到球花发育后期显著差异表达的基因，其中一部分在雄球花优势表达，而另一部分则在雌球花优势表达[2]。

4.1.2基因组及基因的研究
因为基因芯片具有高敏感性和高准确性，近来有研究利用此特性研究酵母基
因组的复制活动，通过对酵母基因组在S期上千个位点DNA拷贝数的比较，发现了其复制起点；同时还研究了复制叉在基因组的移动与S期复制和转录活动的关系。

另外，在多种肿瘤的研究中，通过比较肿瘤发生的相关基因的DNA拷贝数，发现了一些新的基因。

4.1.3基因组测序
基因芯片是随着基因测序发展起来的，早期的测序方法速度慢，无法满足基因组测序的需求。

基因芯片的产生于发展大大提高了基因测序的速度和精确度。

1996年Chee等采用固定有136528个寡核苷酸探针的硅片对长度为16.6kb的人线粒体基因组进行了测序，精确度达99%[3]。

4.2在疾病诊断中的应用
目前，基因芯片在疾病诊断中得到了很广泛的应用。

有很多疾病是由于体内基因的改变引起，基因芯片可通过对这些基因的检测了解基因和蛋白质的表达水平，从而对疾病进行早期诊断。

基因芯片在肿瘤诊断中具有重要作用，通过基因表达的分析可为肿瘤致病基因的发现提供线索。

1999年，wang等人研究了卵巢癌中基因表达谱的变化，找出了卵巢癌组织中过度表达和低表达的基因，通过对相关基因表达水平的分析可以帮助卵巢癌的诊断[4]；在产前诊断方面，基因芯片评估超声诊断技术能检查孕妇和胎儿健康状况或位于泌尿生殖系统、中枢神经系统、心脏和肾脏等器官中的异常结构[5]；另外，基因芯片技术还可以检测出不同体质类型的糖尿病相关的基因及其表达，研究基因组与糖尿病及其并发症的的相关性。

4.3在药物研究中的应用
基因芯片技术在新药开发、药物靶标的发现、多靶位药物筛选、药物作用的分子机理研究、药物疗效及毒副作用评价等方面具有明显优势[6]。

用于引导医药研发。

使用cDNA芯片研究发现了脑膜炎淋球菌在和宿主表皮细胞接触后表达增高的189个基因，其中44％的功能是编码细胞表面蛋白，这项研究成果为开发预防脑膜炎淋球菌感染的相关疫苗提供了可选择的靶点[7]。

用于药物筛选。

利用基因芯片技术对中药或者中药某些成分进行分析，可将中药的成分与基因表达相关联，通过分析比较不同药物成分对基因表达谱的影响，确定发挥药效的部分。

据报道，香港科技大学生物技术研究所利用基因芯片
技术已经筛选到知母的23种有效成分[8]。

4.4在环境监测方面的应用
在环境监测方面，基因芯片可以快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、动植物的污染和危害。

在水质控制方面的应用。

法国一家主要的水管理企业投资了850万欧元与芯片公司共同开发生物芯片，用于检测公共饮用水中的微生物[9]。

监测环境污染和提高环境保护技术水平。

1998年，Brown等研制出一种基因芯片，用它可以比较T细胞受不同污染物污染后成千上万个基因表达图谱中的信息资料，并用这种芯片检测T细胞的基因表达模式而反映过去接触水银的情况[3]。

5结束语
基因芯片是一种多学科交叉的前沿生物技术，该技术的发展，使生物学实验本身大大自动化、灵敏化、快速化，一些原本复杂的工作变的简便。

目前，它已经在基因组学研究、基因序列分析、疾病诊断、药物筛选、环境监测等方面得到了广泛的应用。

随着技术的不断发展和研究的深入，生物芯片技术必将对21世纪的社会经济和发展、人类的生活和健康产生更加深远的影响。

参考文献
[1] 李瑶主编. 基因芯片数据分析与处理. 北京市：化学工业出版社, 2006.04.
[2] 钮世辉,袁虎威,陈晓阳,李伟.油松雌雄球花高通量基因表达谱芯片分析[J].林业科学,2013(49):46-51.
[3] 帕提古丽,罗薇基因芯片的应用[N].西南民族大学学报·自然科学版,2004.06.
[4]左朝晖,李永国.基因芯片在肿瘤研究中的应用[J].实用癌症杂志,2003(18):447-448.
[5] 于璐,王琳琳.基因芯片在产前诊断中的应用进展[J].中国现代医生，2005(51):21-22.
[6] 张亮,邢婉丽,程京．基因芯片技术及其在药学领域的应用[J]．基础医学与临床，2000，20(4)：13-16.
[7] 陆玉刘天佳，杨锦波. 基因芯片的结构与应用[J].国外医学口腔医学分册，2006(33):6-8.
[8] 徐仿周，吴继洲．基因芯片技术在中药中的应用研究进展[J]．国外医学药学分册，2005，32(15)：300—305.
[9]程金平,郑敏,王文华.生物传感器和生物芯片在环境监测中的应用.上海环境科学[J].2001,20(12):605-606。