基因芯片技术
基因芯片技术及其应用
基因芯片技术及其应用随着生物学、生命科学的发展，基因芯片技术越来越受到关注。
基因芯片又称为DNA芯片，是一种利用微阵列技术来检测基因表达水平的高通量方法。
基因芯片技术的发展带来了许多应用领域的新成果，包括疾病预测、药物研发等。
本文将介绍基因芯片技术及其应用。
一、基因芯片技术的原理基因芯片技术是一种高通量的生物技术，它利用微阵列生物芯片来检测基因表达的水平。
这种技术利用了DNA分子的特异性与完整性，它可以在任何生物样品中高效地检测出其蛋白质表达水平和基因组变异情况。
基因芯片技术的工作原理基于蛋白质表达水平与基因组变异情况的探测。
首先，需要将基因DNA序列通过逆转录过程转换成mRNA序列，进而使用荧光标记标记mRNA序列。
接下来将标记好的mRNA序列通过微阵列技术固定到芯片上，并使用高通量扫描技术来观察标记后荧光强度的变化程度。
荧光值越高，则说明该基因表达水平越高。
基因芯片技术不仅可以检测基因表达水平，还可以检测基因序列的变异情况，用于了解某种疾病或细胞状态的基因组变化情况。
比如，可以用这种技术针对某种疾病相关的单核苷酸多态性位点检测基因变异情况。
二、基因芯片技术的应用1. 癌症筛查基因芯片技术可用于癌症筛查，将肿瘤组织中的RNA与正常细胞组织的RNA进行比较，寻找表达水平具有显著差别的基因，进而确定这些基因是否与癌症发展相关。
利用这种方法可以更加准确地判断某个癌症的种类、发展程度等。
2. 个性化药物设计基因芯片技术可用于个性化药物设计，通过基因芯片可以确定某个病人，是否会对某种药物产生不良反应，从而确定是否使用该药物。
同时，可以利用基因芯片技术根据病人的基因组变异情况，设计出一种更加适合该病人的药物。
3. 遗传疾病筛查基因芯片技术可用于遗传疾病筛查，利用基因芯片技术可以检测出某些基因的表达水平是否异常，从而确定在某些疾病中，基因的表达水平是否存在异常。
4. 农业和环保应用基因芯片技术不仅可以应用在医学领域，还可以应用于农业和环保领域，例如种植业、畜牧业、水产养殖业等。
基因芯片技术高效
基因芯片技术是一种用于大规模分析特定基因表达水平的技术，它可以将数以亿计的探针分子固定在芯片上，与标记的样品进行杂交，从而快速、准确地检测到基因表达的变化，并用于药物开发、遗传病诊断和医学研究等领域。
该技术的高效性主要体现在以下几个方面：
1. 高通量：基因芯片技术可以在短时间内分析大量样品，通过一次杂交即可检测到多个基因的表达水平，大大提高了实验的效率。
2. 高灵敏度：基因芯片技术可以检测到低丰度的基因表达水平，对于一些难以检测的基因，基因芯片可以作为一种有效的检测手段。
3. 高精度：基因芯片技术的杂交过程可以在显微镜下观察和计数，保证了实验结果的准确性。
此外，基因芯片还可以对多个样品进行并行分析，大大提高了实验的便捷性和自动化程度。
4. 临床应用：基因芯片技术在临床诊断和药物开发等领域的应用也越来越广泛，它可以帮助医生更准确地诊断疾病，并为患者提供个性化的治疗方案。
同时，基因芯片还可以用于药物筛选和开发，为新药研制提供了更为准确和高效的手段。
在实际应用中，基因芯片技术已经成为了生物医药领域不可或缺的一部分。
但是，基因芯片技术也存在一些问题和挑战，例如实验技术的复杂性和成本较高，以及实验结果的可解释性等方面仍有待提高。
总之，基因芯片技术以其高效、高通量、高灵敏度、高精度等特点，在药物开发、遗传病诊断和医学研究等领域得到了广泛应用。
虽然还存在一些问题和挑战，但随着技术的不断发展和完善，基因芯片技术的应用前景将更加广阔。
生物信息学讲义——基因芯片数据分析资料
生物信息学讲义——基因芯片数据分析资料基因芯片是一种高通量的技术，可以用于同时检测和量化数以千计的基因在一个样本中的表达水平。
通过分析基因芯片数据，我们可以获得大量的基因表达信息，并进一步了解基因在不同条件和疾病状态下的调控和功能。
下面是一份关于基因芯片数据分析的讲义。
一、基因芯片数据的处理与预处理1.数据获取与质控-从基因芯片实验中获取原始数据（CEL文件）。
-进行质控，包括检查芯片质量、样本质量和数据质量。
2.数据预处理-背景校正：去除背景信号，减小非特异性杂音。
-样本标准化：对样本间进行标准化处理，消除技术变异和样本间差异。
-基因过滤：去除低表达和不变的基因，减少多重检验问题。
二、差异基因分析1.统计分析-基于统计学的差异表达分析方法，如t检验、方差分析（ANOVA）等。
-根据差异分析结果，获取差异表达的基因列表。
2.功能注释与生物学解释-对差异表达的基因进行功能注释，包括富集分析、通路分析和基因功能类别分析等。
-通过生物学数据库查询和文献阅读，解释差异表达基因的生物学意义和可能的调控机制。
三、基因共表达网络分析1.相关性分析-计算基因间的相关系数，筛选出相关性较高的基因对。
-构建基因共表达网络，通过网络可视化方式展示基因间的关系。
2.模块发现和功能注释-使用聚类算法将基因分组成不同的模块，每个模块表示一组具有相似表达模式的基因。
-对每个模块进行功能注释，了解模块内基因的共同功能或通路。
四、基因云图和热图分析1.基因云图-使用基因注释信息和基因表达水平，绘制基因表达的云图。
-通过颜色和大小表示基因的表达水平、功能注释等信息。
2.热图分析-根据基因表达水平计算基因间的相似性，将相似性转换为颜色，绘制热图。
-热图可用于显示基因表达模式的相似性和差异。
五、整合分析与生物信息学工具1.基因集富集分析-将差异表达的基因列表输入基因富集分析工具，寻找与特定通路、功能或疾病相关的基因集。
2.数据可视化工具- 使用生物信息学工具和软件，如R、Bioconductor、Cytoscape等，进行数据可视化和交互式分析。
基因芯片的操作流程及步骤
基因芯片的操作流程及步骤基因芯片是一种用于检测和分析基因表达的高通量技术。
它能够同时检测上万个基因，在生物医学研究、生物工程和临床诊断等领域具有重要的应用价值。
基因芯片的操作流程主要包括前处理、杂交、显像和数据分析等步骤。
下面是详细的操作流程及各步骤的介绍。
1.前处理：a.提取RNA：从细胞或组织中提取总RNA，可以使用常规的酚/氯仿法或者商业化的RNA提取试剂盒等方法。
b.反转录：使用反转录酶将RNA逆转录成cDNA，以便进一步扩增和检测。
这一步骤可以使用随机引物或专用的引物结合反转录酶进行。
2.样品标记：a.样品标记：将cDNA样品标记为荧光基团，例如使用荧光染料dCTP 或其他标记物。
b.去除杂交物：通过水解或其他方法去除未反应的标记试剂，并纯化标记后的cDNA样品。
3.制备探针：a.设计探针：选择适当的探针序列，通常是与待检测基因的特定片段互补的DNA片段，用于检测基因表达。
b.生产探针：使用DNA合成技术或PCR等方法合成大量的探针，通常是固定在玻片上的寡核苷酸序列。
4.杂交：a.样品混合：将标记后的cDNA样品与探针混合，可以加入包含缓冲液、杂交解聚剂等的杂交液。
b.杂交反应：在恒温条件下，将混合物进行杂交反应，使探针与标记的cDNA靶标发生互补反应，形成探针-靶标复合物。
5.洗涤：a.洗涤：使用一系列含有不同浓度盐或洗涤缓冲液的溶液，去除没有结合的或非特异结合的探针-靶标复合物。
b.除去二级结构和非特异结合：使用高盐浓度的洗涤缓冲液或其他特定条件洗涤，去除可能形成的非特异结合和二级结构。
6.显像：a.扫描：使用光学设备测量芯片上的荧光强度，将探针-靶标复合物的检测结果转化为数字信号。
b.校准：对每个荧光信号进行校准，以消除技术偏差和背景噪声。
7.数据分析：a.数据提取：将荧光强度数据转化为基因表达的相对量，通常是使用专门的数据分析软件进行。
b.统计分析：使用统计学方法对基因表达数据进行分析，包括聚类分析、差异表达分析和信号通路分析等。
基因芯片技术
（3）、待检病毒核酸的扩增与标记
提取病毒RNA后,用锚定随机引物进行反转录获得cDNA 作模板,反转录随机引物序列为5′-GTTTCCCAGTCACGATCNNNNNNNNN-3′,然后用测序酶合成第二链cDNA,随机PCR 扩增用随机引物5′-GTTTCCCAGT-CAOGATC-3′进行,并在 扩增的过程中掺入aa-dUTP对PCR产物进行标记,PCR反应 体系为100ug,扩增条件为95℃变性5min,然后94℃30s、 55℃30s、72℃60s,共35个循环。
ห้องสมุดไป่ตู้
图1、利用基因芯片进行杂交测序 的原理
三、基因芯片的技术流程
三、基因芯片的技术流程
T7 promoter
PCR
体内转录
T7 promoter
荧光素
片段化
1.5 小时
杂交、冲洗
ACGT
扫描分析 1 小时
图 2 样品处理与检测过程简图
四、基因芯片技术与传统杂交 检测方式的比较
操作 自动化程度 一次可检测的序列个数 总体效率 基因芯片技术 传统杂交方法 简便 很高 复杂 很低 极大 很小 很高 很低
二、基因芯片的基本原理
基因芯片的制作技术主要包括芯片制备，样品制备， 杂交反应，信号检测和结果分析。
将各种基因寡核苷酸点样于芯片表面，微生物样品 DNA经PCR扩增后制备荧光标记探针，然后再与芯片上 寡核苷酸点杂交，最后通过扫描仪定量好分析荧光分 布模式来确定检测样品是否存在某些特定微生物。
该技术可检测各种介质中的微生物，研究复杂微 生物群体的基因表达。
（2）、病毒的培养和病毒核酸的提取
EEEV、WEEV、VEEV、MAYV、WNV和JBEV用BHK细胞培养,1-4型 DENV用C6/36细胞培养,BUNV用Vero-E6细胞培养。产生细胞病变 后,将培养瓶在-70℃冰箱中冻融,用于病毒核酸的提取。 由于以上13种虫媒病毒均为RNA病毒,因此,病毒总RNA用 QIAGENRNAeasy试剂盒提取。
基因芯片技术
图1基因芯片技术林晓强16307100046基因芯片又叫DNA 芯片是负责检测和分析基因的。
一.技术原理：基因芯片的测序原理是杂交测序方法，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法。
双链DNA 在高温等条件下双螺旋解开形成两条互补的单链，当消除变性条件后，变性DNA 两条互补链可以重新结合，利用DNA 的这种特性，将两个以上不同来源的多核苷酸链之间由于互补而使它们在复性过程中形成异源杂合分子的过程称为杂交。
双链DNA 加热变性成为单链，作为探针，将多个探针点在芯片上，然后将用同位素标记的靶基因接触基因芯片，在消除变性条件下，靶基因与互补的探针结合（如图1），最后通过确定荧光强度最强的探针位置（如图2），获得一组序列完全互补的探针序列。
据此可重组出靶核酸的序列。
这个原理看似简单，实际有几个技术难点1.如何将探针“点”在芯片上？以及芯片种类？其一：固定在聚合物基片(尼龙膜，硝酸纤维膜等)表面上的核酸探针或cDNA 片段，图2通常用同位素标记的靶基因与其杂交，通过放射显影技术进行检测。
优点：技术比较成熟缺点：芯片上探针密度不高，样品和试剂的需求量大，定量检测存在较多问题。
其二：用点样法固定在玻璃板上的DNA探针阵列，通过与荧光标记的靶基因杂交进行检测。
优点：点阵密度可有较大的提高，各个探针在表面上的结合量也比较一致缺点：标准化和批量化生产方面仍有不易克服的困难。
其三：在玻璃等硬质表面上直接合成的寡核苷酸探针阵列,与荧光标记的靶基因杂交进行检测。
优点：该方法把微电子光刻技术与DNA化学合成技术相结合，可以使基因芯片的探针密度大大提高，减少试剂的用量，实现标准化和批量化大规模生产。
2.如何通过探针序列重组出靶核酸序列？在一块基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针（如图）。
当溶液中带有荧光标记的核酸序列TATGCAATCTAG，与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列。
基因芯片技术
基因芯片技术基因芯片技术是一种高通量的生物技术平台，可以同时测量上千个基因的表达量或突变状态。
该技术的出现，为研究基因与生物体生理、发育、进化及疾病发生等方面的关系提供了重要工具，同时也推动了生物医学、农业、环境科学等领域的发展。
基因芯片技术的基本原理是，将成千上万个寡核苷酸探针固定在玻璃片或硅片上，形成一个固定化的小芯片。
每个探针可以与特定的基因序列互补配对，从而可以在芯片上同时检测多个基因的表达情况。
通常，研究人员会将待检测的RNA或DNA 样品标记，然后加到芯片上，通过互补配对，可以确定每个基因的表达量或突变状态。
基因芯片技术的关键在于可以高效、快速地同时检测大量基因信息。
基因芯片技术的应用广泛，其中最重要的应用之一是基因表达谱分析。
通过测量细胞或组织中所有基因的表达水平，可以了解基因在不同生理或病理条件下的变化。
例如，在癌症研究中，可以通过基因芯片技术比较癌细胞与正常细胞的基因表达谱，找出与癌症相关的基因变化，从而揭示癌症的发生机制，并寻找治疗目标。
此外，基因芯片技术还可以用来研究基因调控网络、药物作用机制等。
与传统的方法相比，基因芯片技术具有很多优势。
首先，基因芯片技术可以同时检测大量基因，大大提高了实验效率。
一张芯片上可以同时检测数千个基因，比传统方法要快捷得多。
其次，基因芯片技术具有高灵敏性和高精确性。
可以检测到低表达基因的信号，并可以避免手工操作引入的误差。
此外，基因芯片技术还可以提供大量的数据，为生物学研究提供了更多的信息。
然而，基因芯片技术也存在一些局限性。
首先，基因芯片技术只能检测已知的基因序列，对于未知基因或新发现的基因变体，无法提供准确的信息。
其次，芯片设计需要基于已有的基因序列信息，如果基因组中还有未解析的区域，这些区域的信息可能无法得到有效检测。
再者，基因芯片技术的数据处理和分析也面临一定的挑战，需要建立合适的分析流程和算法，以准确解读芯片数据。
尽管存在一些局限性，基因芯片技术仍然是一种重要的生物技术平台。
基因芯片组织芯片蛋白质芯片
基因芯片组织芯片蛋白质芯片
基因芯片、组织芯片和蛋白质芯片都是生物芯片的分类，它们在应用领域和功能上有所不同。
1. 基因芯片：
基因芯片是将cDNA或寡核苷酸固定在微型载体上形成微阵列，用于高通量快速检测DNA、RNA等生物分子。
它通常应用于基因表达谱分析、基因突变检测、基因组测序等。
2. 组织芯片：
组织芯片是将组织样本以微阵列的形式固定在芯片上，用于检测组织中特定基因的表达水平或寻找与疾病相关的基因。
组织芯片可以用于研究肿瘤、神经退行性疾病等疾病的病理生理过程。
3. 蛋白质芯片：
蛋白质芯片是将蛋白质或抗原等非核酸生物物质固定在微型载体上形成微阵列，用于高通量快速检测蛋白质的表达水平、蛋白质-蛋白质相互作用等。
蛋白质芯片可以用于研究免疫应答、信号转导通路等。
总之，基因芯片、组织芯片和蛋白质芯片都是生物芯片技术中的重要类别，它们在生物医学研究、药物研发和临床诊断等领域具有广泛的应用前景。
基因芯片技术
朱丽雅
０６／１１／１３
生物芯片(Biochip)技术
通过加工工艺同时将大量的探针分子固定到固相支持物上后与 标记的样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进 而获取样品分子的数量和序列信息并进行高效的解读和分析．
１.基因芯片 ２.蛋白质芯片 ３.芯片实验室
命名：
按载体上所点探针的长度分为：
(1) cDNA 芯片:由Schena 建立,将特定的cDNA 经PCR 扩增后借助机械
手直接点到基片上。
(2) 寡核苷酸芯片:由Fodor首先报道,用照相平板印刷术和固相合成技术
在基片上生成寡核苷酸, 分为长寡核苷酸芯片和短寡核苷酸芯片,与cDNA 芯 片制作的一个主要不同点是多一步转录获得cRNA 的过程。 起初,人们认为长寡核苷酸芯片和cDNA芯片有更高的特异性和灵敏度。但短 寡核苷酸芯片同样有效和特异。
全外显子芯片得数据分析步骤：
１.确定每个外显子在样品中是否有变化。
样品本身基因表达就有高 有低＋可变剪接的存在
２.检测整个基因表达本身是否有变化。确 定在整个基因中哪儿出现了可变剪接。
Tiling 芯片（嵌合芯片）
适合于全基因组分析的针对所有转录本的DNA微阵列。 全基因组概念上每隔35个bp 设计一段25bp长度的探针。粗略的计算一下，人类基
利用 Affymetrix Human Mapping 500K Arrays同时分析了500,000 DNA 标记，获得了一张有关记忆研究参予因子的遗传图谱，从中研究人员通过 比对记忆力好的和记忆力差的人群，寻找在前者中存在，但在后者中缺失 的遗传变 异，最终发现了Kibra基因。
基因芯片原理
基因芯片原理
基因芯片是一种用于检测生物体基因表达水平以及分析基因组信息的技术。
其原理是通过将数以万计的DNA探针固定在芯
片表面上，然后将待测的DNA杂交到芯片上进行互补配对。
通过检测杂交后的信号强度，可以确定基因的表达水平或者基因组的某些特征。
基因芯片的制备过程涉及到两个关键步骤：探针设计和芯片制造。
探针的设计是根据待测基因组的序列信息，通过计算机算法选择最为特异且能够代表该基因的DNA序列。
芯片制造则
是将这些选择好的探针固定在芯片表面。
制备好的基因芯片可以同时检测成千上万个基因。
在实际应用中，基因芯片通常与基因表达实验技术结合使用。
首先，提取待测样品中的RNA，并将其转录成cDNA。
然后，将cDNA标记成荧光探针，再将其加到芯片上与固定的DNA
探针进行杂交反应。
最后，使用荧光探测仪读取芯片上的信号。
信号的强度和颜色反映了基因表达水平的高低。
基因芯片具有高通量、高灵敏度和高重复性等优点，能够快速、全面地检测出基因表达谱以及基因组的变异信息。
它在生物学领域的研究中得到了广泛的应用，如研究基因功能、诊断疾病以及发现新的药物靶点等。
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。
生物技术-基因芯片
生物技术之基因芯片小组成员：闫师凯尹涛基因芯片简介基因芯片类型制备基本步骤应用问题及展望基因芯片简介基因芯片技术指将大量探针分子定于支持物上后与标记的样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。
三种主要类型1）固定在聚合物基片（尼龙膜，硝酸纤维膜等）表面上的核酸探针或cDNA片段，通常用同位素标记的靶基因与其杂交，通过放射显影技术进行检测。
2）用点样法固定在玻璃板上的DNA探针阵列，通过与荧光标记的靶基因杂交进行检测。
3）在玻璃等硬质表面上直接合成的寡核苷酸探针阵列,与荧光标记的靶基因杂交进行检测制备基本步骤1、芯片制备目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体，采用原位合成和微矩阵的方法将寡核苷酸片段或cDNA作为探针按顺序排列在载体上2、样品的制备生物样品往往是生物样品的混合体，样品的浓度还比较低所以应对样品做相应的提纯与扩增。
3、杂交反应杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行的反应产生一系列信息的过程。
选择合适的反应条件能使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间的错配率。
4、信号检测和结果分析杂交反应后的芯片上各个反应点的荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件可以分析图像，将荧光转换成数据，即可以获得有关生物信息。
04基因芯片的应用1、DNA测序根据杂交测序原理，短的标记寡核苷酸探针、与靶DNA杂交，计算机扫描分析杂交谱，从而重建靶DNA序列2、基因诊断目前人类已知的疾病6000多种都与基因有关，所以基因诊断对人类的健康和发展有着至关重要的作用。
DNA芯片可以用于大规模筛查由点突变、插入及缺失等基因引起的疾病。
3、基因表达研究4、后基因组研究5、基因实验室的应用05存在的问题以及展望主要问题：1、DNA芯片上原位合成探针难免有错误的核酸掺入及混入杂质，这将增高杂质背景；2、复杂的核酸存在其自身的配对会影响其与靶细胞DNA杂交或者会形成不稳定二聚体。
基因芯片技术原理
基因芯片技术原理一、引言基因芯片技术是近年来发展起来的一种新型生物技术，它可以同时检测成千上万个基因的表达水平，从而为研究基因功能、诊断疾病、药物研发等提供了有力的工具。
本文将对基因芯片技术的原理进行详细介绍。
二、基础知识在介绍基因芯片技术之前，我们需要了解一些与此相关的基础知识。
1. 基因基因是指控制生物遗传特征的DNA序列，它们通过转录和翻译过程被转化为蛋白质或RNA分子。
2. 基因表达基因表达是指在细胞中将DNA序列转录成RNA分子并进一步转化为蛋白质的过程。
不同类型的细胞和不同环境条件下，某些基因会被激活或抑制，从而导致不同的表达模式。
3. DNA微阵列DNA微阵列是由数千个DNA探针组成的小型晶片，每个探针都可以与特定的DNA序列匹配。
通过检测这些探针与样品中DNA分子结合情况，可以确定样品中某些基因的表达水平。
三、基因芯片技术原理基因芯片技术是一种高通量的基因表达分析方法，它可以同时检测成千上万个基因的表达水平。
其原理如下：1. 制备芯片首先，需要制备一张DNA微阵列芯片。
这个过程包括两个步骤：合成探针和固定探针。
合成探针：利用化学方法在晶片表面合成数千个短DNA序列，每个序列都与一个特定的基因相关联。
固定探针：将合成好的DNA微阵列芯片与样品中的DNA分子反应，使得每个探针都能够与样品中相应的DNA分子结合。
这样，在检测过程中就可以确定不同基因在样品中的表达水平。
2. 样品处理为了检测不同环境条件下某些基因的表达模式，需要对不同样品进行处理。
例如，在研究肿瘤细胞时，可以将正常细胞和癌细胞作为两种不同样品进行比较。
在处理之前，需要从每个样品中提取RNA分子。
这可以通过RNA提取试剂盒等商用试剂盒完成。
3. 样品标记为了使样品中的RNA分子能够与芯片上的探针结合，需要对RNA进行标记。
这可以通过荧光染料或放射性同位素等方法实现。
4. 杂交反应将标记好的RNA样品与DNA微阵列芯片进行杂交反应。
基因芯片技术原理
基因芯片(Gene chip)
Southern & Northern Blot Dot Blot
Macroarray
Microarray
基因芯片的研发历史
八十年代末期俄美科学家提出“杂交法测序”
1992年世界第一块原位合成基因芯片在美国 Affymetrix诞生（1994第一张商业化芯片）
1995年世界第一块微矩阵基因芯片在Stanford大 学实验室诞生
技术背景
随着传统技术的不断改进，基因信 息分析规模不断扩大。 • -人类基因组计划的需求(HGP) • -后基因组时代的需求（功能基因 组学方向）
生物芯片 (Biochips)
将大量生物识别分子按预先设置的排列固定于一种载 体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面，利用生物分子 的特意性亲和反应，如核酸杂交反应，抗原抗体反应等来 分子各种生物分子存在的量的一种技术。
image
Commercial chip
• Human • Rat • Mouse • Drosophila • E. coli • Yeast • Zebrafish
基因芯片的应用
– 特定基因检测 – 突变检测 – 多态性分析 – 基因表达谱
•生物信息学的工具 •基因相关性研究 •基因功能 •药物设计和开发 •潜在反义试剂开发 •个体化医疗 •身份识别 •基因诊断 •其他与生物有关的领域
Removable Tip Orifice
Controller
直接点样法 (stanford, brown)
Spotter head
基因芯片技术流程
基因芯片的设计制备 杂交 检测
数据分析
制备方法及点样仪器
靶基因的标记制备：标记方法 杂交：杂交液、杂交温度、洗涤条件
基因芯片的原理与应用
基因芯片的原理与应用基因芯片（gene chip）是一种高通量基因分析技术，可以快速、准确地检测和分析上千种基因在一些生物体内的表达情况。
基因芯片的原理是利用光刻技术将上千种基因序列固定在芯片上，然后通过杂交、加标和扫描等步骤，得到样本中各个基因的表达水平。
基因芯片的基本结构包括探针、阵列和读取系统。
探针是芯片上固定的DNA或RNA片段，可以与样本中的基因序列互补配对。
阵列是指将上千种探针有序排列在芯片上的格点状结构。
读取系统包括光源和光电探测器，用于探测芯片上每个探针与样本中目标基因的结合情况。
1.基因表达分析：基因芯片可以同时检测上千种基因在一些生物体内的表达情况，帮助研究者了解基因表达的调控机制。
通过比较不同状态下的基因表达差异，可以发现与疾病、发育和环境有关的基因。
2.基因突变检测：基因芯片可以检测一些生物体中基因的突变情况，帮助研究者发现与疾病相关的突变基因。
通过与正常基因序列比对，可以识别出基因中的缺失、替代或插入等突变。
3.药物研发：基因芯片可以在药物研发中发挥重要作用。
研究者可以将细胞或组织在不同处理条件下进行基因表达分析，从而筛选出对药物敏感的基因或靶标，并用于新药的靶标验证和效果评估。
4.个体化医学：基因芯片可以为个体化医学提供基因信息。
通过基因芯片分析，可以了解一个人在基因水平上的个体差异，为个体化的健康管理和疾病预防提供依据。
此外，在临床诊断中，基因芯片也可以协助医生筛选出与患者疾病相关的基因。
5.遗传学研究：基因芯片可以用于遗传学研究。
通过比较不同物种或个体之间的基因表达差异，可以揭示基因在进化、发育和适应性演化中的作用。
同时，基因芯片也可以进行基因型和表型的关联研究，帮助揭示一些遗传疾病的发病机制。
基因芯片技术的发展为生命科学领域带来了革命性的突破。
其快速、高通量、高灵敏度的特点使得基因芯片成为研究基因表达和生物信息的重要工具之一、未来，随着基因芯片技术的进一步发展，相信它在生命科学研究和医学应用中的作用会更加广泛和深远。
基因芯片技术
基因表达谱分析原理
肿瘤基因表达谱分析与 肿瘤的分子分型
Molecular Classification of Cancer: Cdiction by Gene
Expression Monitoring
Golub T R, Slonim D K, Tamayo P, et al.
靶分子
••• G CA A A C G A G G C A A A A G T C C••• TTTGCTCAGTTTTCA TTTGCTCCGTTTTCA TTTGCTCGGTTTTCA TTTGCTCTGTTTTCA TTGCTCAGTTTTCAG TTGCTCACTTTTCAG TTGCTCAATTTTCAG TTGCTCATTTTTCAG
2. 支持物的选择与处理
• 实性材料： 硅芯片、玻片和瓷片等
• 膜性材料： 聚丙烯膜，尼龙膜，硝酸纤维素膜
• 支持物的处理： 氨基化 醛基化
3.原位合成芯片的制备
• 显微光蚀刻技术 • 压电打印法 • 分子印章法
显微光蚀刻技术
4.DNA微阵列的制备
• 喷墨打印：非接触式
• 针式打印：接触式
基因芯片制作的三种技术
microarrays (Affymetrix, containing probes for 6817 human genes )
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基因芯片技术的应用领域
临床疾病的 基因诊断
基因组研究
后基因组计划
药物研究开发
DNA芯片
生物信息学
法医学鉴定
Detector 2
Scanner
图像处理
Detector 1
Detector 2
基因芯片技术
Center for Signal Transduction & Metabolomics
解决的方法与发展方向
为使基因芯片成为实验室研究或实践中可以普遍采用的技术, 就需要从下面几个方面着手解决问题: (1)提高基因芯片的特异性 重复性; (2)简化样品制备和标记操作; (3)增加信号检测的灵敏度; (4)研制和开发高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标记及 检测仪器。 尽管存在着种种不足和局限,基因芯片技术与传统的检测及杂 交技术相比,有检测系统微型化、对样品的需要量非常少、 检测效率高、能同时分析多种基因组研究或诊断用DNA序 列的优势,具有广阔的发展潜力。
Center for Signal Transduction & Metabolomics
DNA芯片技术 芯片技术
DNA芯片技术，实际上就是一种大规模集 成的固相杂交，是指在固相支持物上原位 合成( situ synthesis)寡核苷酸或者直接将大 量预先制备的DNA探针以显微打印的方式 有序地固化于支持物表面，然后与标记的 样品杂交。通过对杂交信号的检测分析， 得出样品的遗传信息(基因序列及表达的信 息)。由于常计算机硅芯片作为固相支持物， 所以称为DNA芯片。
Center for Signal Transduction & Metabolomics
基因芯片的优点： 基因芯片的优点：
作为新一代基因诊断技术，DNA芯片的突出特点在于快速、 高效、敏感、经济，平行化、自动化等，与传统基因诊断 技术相比，DNA芯片技术具有明显的优势： ① 基因诊断的速度显著加快，一般可于30min内完成。若采 用控制电场的方式，杂交时间可缩至1min甚至数秒钟。 ② 检测效率高，每次可同时检测成百上千个基因序列，使 检测过程平行化。 ③ 基因诊断的成本降低。 ④ 芯片的自动化程度显著提高，通过显微加工技术，将核酸 样品的分离、扩增、标记及杂交检测等过程显微安排在同 一块芯片内部 ，掏建成缩微芯片实验室。 ⑤ 因为是全封闭，避免了交叉感染；且通过控制分子杂交 的严谨度，使基因诊断的假阳性率、假阴性率显著降低
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2、基因芯片的缺点 基因芯片技术体系的建立和使用需要较大的投入。 （但是，相对于传统的表达分析技术而言，单个基因分析的成本仍是较低的。）
第二节 生物芯片的分类
2.1 按载体材料分类 玻璃芯片 硅芯片 陶瓷芯片 玻璃芯片具有易得、荧光背景低、应用方便等优点，目前在国际上广泛使用。
CGTTAGA T
GTTAGATC
ATACGTTAGATC TATGCAATCTAG
重组的互补序列 靶序列
测序芯片
基因表达谱芯片
基 因 差 异 表 达 分 析 芯 片
第三节 基因芯片的制作
固相介质 硅片、二氧化硅、玻璃、尼龙膜、塑料等。 靶片段 DNA、寡核苷酸、RNA等。 探针 mRNA，或是以mRNA为模板合成的cDNA。 标记物 常采用荧光剂（如Cy3、Cy5）；同位素等。
2.2 按点样方式分类
1、原位合成芯片（将半导体中的光蚀刻技术运用到DNA合成化学中，以单核苷酸或其他分子大分子为 底物，在玻璃晶片上原位合成寡核苷酸）
2、微矩阵芯片（目前应用最广泛的基因芯片之一。具有高密度、制作简便的特点。其是将用PCR或化 学合成等方法得到的DNA或寡核苷酸片段用针点或喷点的方法直接排列到玻片等载体上，从而制备 成芯片。）
芯片实验室的特点:
其一、集成性。目前一个重要的趋势是：集成的单元部件越来越多，且集成的规模也越来越大。所涉及到的 部件包括：和进样及样品处理有关的透析、膜、固相萃取、净化；用于流体控制的微阀（包括主动阀和被动 阀），微泵（包括机械泵和非机械泵）；微混合器，微反应器，另外还有微通道和微检测器等。
其二、分析速度极快。Mathies研究小组在一个半径仅为8厘米长的园盘上集成了384个通道的电泳芯片。他们在 325秒内检测了384份与血色病连锁的H63D 突变株（在人HFE基因上）样品，每个样品分析时间不到一秒钟。
3、电定位芯片（利用静电吸附的原理将DNA快速定位在硅基质、导电玻璃上。）
2.3 按芯片固定的生物分子类型分类 （1）基因芯片或DNA芯片 （2）蛋白质芯片 （3）芯片实验室（lab-on-chip） 将一个实验的各个步骤微缩于一个芯片上
芯片实验室（Lab-on-a-chip）或称微全分析系统（Miniaturized Total Analysis System,µ-TAS）是指把生 物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位集成或基本集成一块几平 方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的一种技术。
基因芯片技术
世界著名商业杂志《财富》对基因生物芯片领域非常看好，它在其1997年的3月31刊中 讲到：“微处理器使我们的经济发生了根本改变、给人类带来了巨大的财富、改变了我们的生活方式。 然而，生物芯片给人类带来的影响可能会更大…...”
酵 母 全 基 因 组 基 因 芯 片
第一节 生物芯片简介
3.1 用于芯片制作的DNA样品的来源 （1）从细胞或因的DNA序列，用PCR 扩增技术或DNA 固相结合技术来获取人们所期望的各种基因片段；
（2）利用基因组测序数据，经生物信息学分析得到代表各个基因的数据，在利用PCR 技术或DNA 固相结合技术来获取人们所期望的各种基因片段。
其三、高通量。 其四、能耗低，物耗少，污染小。每个分析样品所消耗的试剂仅几微升至几十个微升，被分析的物 质的体积只需纳升级或皮升级。
其五、廉价，安全。无论是化学反应芯片还是分析芯片由于上述特点随着技术上的成熟，其价格将会越来越廉价。 针对化学反应芯片而言，由于化学反应在微小的空间中进行，反应体积小，分子数量少，反应产热少，又因反应 空间体表面积大，传质和传热的过程很快，所以比常规化学反应更安全。
1.2 基因芯片分析流程
基因芯片分析的过程主要包括样品及其标记处理、芯片制作、分子杂交、信号的检测和数据处理 及分析等几个步骤。
• 基因芯片的理论基础： • 传统的Southern blot和Northern blot是将受检测的样本固定在尼龙膜上，再利用特定的已知探针来
检测样本中是否存在互补的DNA序列。 • 基因芯片的核心原理与Southern blot和Northern blot相同，只是相反将各种探针固化到基质上，用
以检测受检样品中与各种探针互补的核酸物质的变化。
1 样品制备 2 DNA提取 3 荧光标记 4 分子杂交 5 信号检测 6 点阵分析
1.3 基因芯片技术的特点
1、基因芯片的优点 1）高通量性：可同时并行分析成千上万种分子。节省时间，并减少系统误差。 2）微型化 3）高度自动化 4）结果重现性和准确性更高（基因芯片能在同一张芯片上同时对实验组和对照组材料进行杂交分析，这样就
1.1 生物芯片的定义 生物芯片是指通过机器人自动印迹或光引导化学合成技术在硅片、玻璃、凝胶或尼龙膜上制造的生物 分子微阵列，根据分子间的特异性相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程集成于芯片 表面，以实现对细胞、蛋白
质、基因及其他生物组分 的准确、快速、大信息量 的检测。
• 基因芯片——又称DNA芯片或DNA阵列，是生物芯片的一种类型，它是将DNA分子固定于支持物 上，并与标记的样品杂交，通过自动化仪器检测杂交信号的强度来判断样品中靶分子的数量，进而 得知样品中mRNA 的表达量，也可以进行基因突变体的检测和基因序列的测定。
2.4 按芯片使用功能分类 （1）测序芯片 （2）表达谱芯片 （3）基因差异表达分析芯片
一组寡核苷酸探针 TACGTTAG
ATACGTTA
由杂交位置确定的一组 核酸探针序列
ATACGTTA
TACGTTAG ACGTTAGA CGTTAGAT GTTAGATC
杂交探针组
ACGTTAGA —TATGCAATCTAG
3.2 生物芯片的制作方法 生物芯片微阵列的制作技术按照制作方法可分为：原位合成和预合成后点样。 原位合成法是由点样系统将探针的组成部分逐步转移到基体上，同时实现探针合成和转移的目的。 预合成后点样是指制备芯片微阵列前，要固定的探针已经合成好，点样系统需要做的就是把这些合