第三讲 利用基因芯片进行基因表达谱分析
基因表达谱芯片
基因表达谱芯片（Gene Expression Microarray），简称基因芯片，是一种高通量的基因分析技术，它可以同时检测数千个基因的表达水平。基因芯片的核心是由成千上万的探针组成的芯片，每个探针可以检测一个特定的基因的表达水平。通过对样本进行处理和标记，然后与芯片上的探针进行杂交和检测，可以获得每个基因的表达水平数据。
基因芯片的应用非常广泛，特别是在生命科学领域中。它可以用于研究不同生物条件下基因表达的变化，探索基因调控机制，发现新的基因标记，甚至可以用于疾病的早期诊断和治疗。除此之外，基因芯片还可以应用于农业、环境、食品安全等领域。
基因芯片技术的优点是可以同时检测大量基因的表达水平，从而提高研究效率和减少研究成本。此外，基因芯片还可以在不需要繁琐实验和检测的情况下，快速、准确地得到大量基因表达数据。这些数据可以用于建立基因表达谱和生物信息学分析，从而发现新的基因调控机制，识别疾病相关基因和生物标志物，提高研究和诊断水平。
基于生物芯片的基因表达谱分析
基于生物芯片的基因表达谱分析随着基因组学、转录组学和蛋白质组学等生物学领域的发展，越来越多的研究人员开始采用生物芯片技术进行基因表达谱分析。
生物芯片技术是在芯片上固定一定数量的DNA片段或蛋白质，通过检测样本中的RNA或蛋白质与芯片上的DNA或蛋白质的相互作用来分析样本中的基因表达谱或蛋白质表达谱。
生物芯片技术基于基因表达谱分析的原理是，通过将一系列已知的基因片段（例如cDNA，基因组片段或寡核苷酸探针）安置在芯片上，样本RNA会与这些基因片段特异性结合，从而确定样本中某个基因的表达水平。
生物芯片技术可以高效地测定上千个基因的表达谱，进而了解基因调控网络以及与疾病相关的生命体征。
生物芯片技术主要分为两种：DNA芯片与蛋白芯片。
DNA芯片主要用于分析基因表达谱，蛋白芯片主要用于分析蛋白质表达谱。
这两种芯片都是由数千个小点（探针）组成的。
探针设计取决于研究对象及其应用范围。
一般来说，探针的选择基于研究问题，例如从特定生长条件中获得的医学样品，以及特定基因家族和参考数据集等。
DNA芯片是固相合成的高密度芯片，是一种半导体平台，通常由玻璃或硅基底衬、探针耗材面层、链接层、反应室、ALD制作的陶瓷基底（用于QPCR Array）等组成。
DNA芯片基于杂交实验原理开发，样本RNA的互补DNA探针将配对到DNA芯片上的探针，从而量化RNA表达。
蛋白芯片是一种高通量蛋白质分析技术，通过对样本中的蛋白质与芯片上含有多种蛋白质的检测探针相互作用，实现对样本中蛋白质表达谱的检测。
蛋白芯片构成如DNA芯片类似，由各种芯片片段组成。
特定蛋白质标记或DNA/ RNA片段在芯片上呈现出不同颜色或荧光，从而可以进行定量分析。
基于生物芯片的基因表达谱分析有以下特点：1. 高通量生物芯片技术可以在单个实验中测量数千种基因的表达谱，一定程度上有助于高通量数据处理和分析。
因此，可以更快速地有效地解读大规模数据，并挖掘出潜在的有意义的基因信息。
第三讲利用基因芯片进行基因表达谱分析
• 假阴性：一般不关心，但也要看实验目的 • 假阳性：验证 • 基因芯片结果需要传统方法的验证
新一代芯片技术 光纤微珠芯片
Screening Unlabeled DNA Targets with Randomly Ordered Fiber-Optic Gene Arrays,
Steemers, F.J., Ferguson, J.A., Walt, D.R., Nature Biotechnology,18, 91-94, 2000. Techview: Molecular Biology. Bead-Based Fiber-Optic Arrays, Walt, D.R., Science, 287,
3’UTR
11-20 pairs of 25mer probe
Probe Pair
Perfect Match Mismatch
Probe cell or feature
Chip
• Each gene is represented on the probe array by multiple probe pairs • Each probe pair consists of a perfect match and a mismatch
核苷酸的修饰方法
• 生物素标记的dNTP ： 利用biotin-Streptavidin phycoerythrin [Fluorescent dye]的结合进行检测， 标记探针稳定，不失活，并能配用多种检测系统，简 单方便，扫描成本较低。
• 荧光素标记的dNTP：Cy3-的dNTP ，Cy5-的dNTP • 同位素标记的dNTP • amino allyl （氨烯丙基）NTP ：便宜，掺入DNA和
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。
基因芯片数据挖掘分析表达差异基因
基因芯片数据挖掘分析表达差异基因基因芯片(genechip)（又称DNA芯片、生物芯片）的原型是80年代中期提出的。
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，在一块基片表面固定了序列已知的靶核苷酸的探针。
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。
据此可重组出靶核酸的序列。
目前已有许多数据库，包括NCBI的GEO数据库(/geo/)，ArrayExpress数据库(/arrayexpress/)，和TCGA数据库(/)等等，记录和储存着大量芯片相关的数据，其中GEO数据库是目前最大最全的数据库，可供科研人员查询和下载相关数据。
下面和大家分享一下基因芯片数据的预处理方法。
1）分析前需要对数据进行背景信号处理：背景处理即过滤芯片杂交信号中属于非特异性的背景噪音部分。
一般以图像处理软件对芯片划格后，每个杂交点周围区域各像素吸光度的平均值作为背景，但此法存在芯片不同区域背景扣减不均匀的缺点。
也可利用芯片最低信号强度的点（代表非特异性的样本与探针结合值）或综合整个芯片非杂交点背景所得的平均吸光值做为背景。
其中，各字母的意义如下：N：条件数；G：基因数目（一般情况下，G>>N）；行向量mi=(mi1,mi2,…,miN)表示基因i在N个条件下的表达水平（这里指绝对表达水平，亦即荧光强度值）；列向量mj=(m1j,m2j,…,mGj)表示在第j个条件下各基因的表达水平（即一张芯片的数据）；元素mij表示第基因i在第j个条件下（绝对）基因表达数据。
m可以是R（红色，Cy5，代表样品组）。
也可以是G（绿色，Cy3,代表对照组）。
2）芯片数据清理：经过背景校正后的芯片数据中可能会产生负值，还有一些单个异常大（或小）的峰（谷）信号（随机噪声）。
利用基因芯片技术研究基因表达谱
利用基因芯片技术研究基因表达谱第一章：基因芯片技术简介基因芯片技术是目前研究基因表达谱最常用的方法之一。
该技术的原理是利用DNA杂交的特性，将研究对象的RNA转录成cDNA，并通过杂交反应与固定在芯片上的DNA探针结合，从而测定样本中的基因表达水平。
与传统基因表达研究方法相比，基因芯片技术具有高通量、高灵敏度、高复现性等优点，能够同时检测上万个基因，为基因功能研究提供了有力的工具。
第二章：基因芯片技术的主要步骤基因芯片技术主要包括实验设计、样品处理、杂交反应、图像扫描和数据分析等步骤。
1. 实验设计：在进行基因芯片实验之前，需要明确研究问题和目标，确定实验设计方案。
这包括选择适当的芯片类型、样品处理方法、实验重复次数，以及对照组和实验组的设计等。
2. 样品处理：样品处理是基因芯片实验的关键步骤之一。
在样品处理过程中，需要提取RNA并将其转录为cDNA。
此外，还需要对RNA样品进行质量检测和纯化，以确保获得可靠的杂交结果。
3. 杂交反应：杂交反应是基因芯片实验的核心步骤。
该步骤中，将标记有探针的芯片与标记有cDNA的样品进行杂交反应。
在反应过程中，cDNA与芯片上的探针发生特异性结合。
随后，通过洗涤去除未结合的cDNA，然后进行图像扫描。
4. 图像扫描：图像扫描是基因芯片实验的一项重要步骤，主要用于记录杂交反应后的结果。
利用图像扫描仪，将芯片上的探针结合信号转化为可读的图像。
5. 数据分析：数据分析是基因芯片实验后续的重要工作。
通过对扫描得到的图像进行图像分析和信号处理，可以得到反映基因表达水平的原始数据。
接下来，可以进行差异表达分析、聚类分析、功能富集分析等，进一步挖掘基因的生物学功能。
第三章：基因芯片技术的应用领域基因芯片技术广泛应用于生物学、医学和农业领域。
以下列举几个典型的应用领域：1. 癌症研究：基因芯片技术可以帮助科学家了解癌症的分子机制，发现不同类型癌症的特异性基因表达谱，为癌症的诊断和治疗提供依据。
免疫学中基因芯片的应用及数据分析方法
免疫学中基因芯片的应用及数据分析方法基因芯片是一种新型的生物技术工具，它被广泛运用于生物学研究、医学诊断以及农业等领域。
在免疫学研究中，基因芯片可以用来分析基因表达，研究免疫系统的生物学和病理生理学，以及开发新的免疫疗法。
本文将探讨免疫学中基因芯片的应用及数据分析方法。
一、基因芯片在免疫学研究中的应用基因芯片技术基于DNA序列互补的原理，可以同时探测几千个基因在不同生理和病理条件下的表达水平。
在免疫学研究中，基因芯片技术可以用来研究免疫系统中与疾病相关的基因表达变化，为免疫治疗的开发提供重要的信息。
1. 免疫系统基因表达谱的分析免疫系统是一种复杂的网络，包括免疫细胞、激素和细胞因子等多种成分。
在不同生理和病理条件下，免疫系统中的基因表达模式会发生变化，这些变化与多种疾病的发生和发展密切相关。
利用基因芯片技术可以对免疫系统中的基因表达谱进行全面的分析，从而发现与免疫系统相关的新的治疗靶点。
2. 免疫治疗的监测免疫治疗是一种新兴的治疗模式，包括肿瘤免疫治疗、自身免疫病治疗以及感染病治疗等。
基因芯片技术可以用来监测免疫治疗的效果，并评估治疗的预后。
例如，利用基因芯片技术可以分析免疫治疗后T细胞的基因表达谱，从而预测治疗是否成功。
3. 病原体识别和分析免疫系统的主要功能是识别和清除病原体，基因芯片技术可以用来识别和分析各种病原体的基因表达模式，从而发现新的病原体治疗靶点，为针对性治疗提供依据。
二、基因芯片数据分析方法基因芯片技术可以同时测量成千上万个基因的表达水平，产生的数据量很大，数据分析也是一个复杂的过程。
一般情况下，基因芯片数据分析包括数据预处理、差异基因筛选、聚类分析、生物学意义的解释等几个步骤。
1. 数据预处理数据预处理指的是原始的基因芯片数据清洗与归一化的过程，这是数据分析的关键步骤。
数据预处理的目的是剔除芯片噪声、基准样本处理、将不同芯片数据进行标准化处理，提高数据质量和可靠性，为后续分析打下基础。
基因芯片技术在基因表达研究中的应用
基因芯片技术在基因表达研究中的应用随着现代科学技术的不断发展，基因芯片技术作为一种新兴的科学技术，引起了人们的广泛关注。
基因芯片技术是一种基于DNA 光学成像技术的高通量分析技术，能够以高效的方式同时识别和监测上千个基因，并且可以用于大规模、高通量的基因表达研究。
一、基因芯片技术的原理基因芯片技术通过特定的方法把数万个 DNA 片段置于一个非常小的芯片上，在每个 DNA 碎片的位置上附着荧光分子或其他化学分子，然后监测每个位置上分子的光信号来测量每个 DNA 片段的实时表达情况。
通过这种方法，可以大规模地研究生物体内基因的表达模式，以及这些表达模式与生物体的生理状态和疾病发生的关系。
二、基因芯片技术是一种非常有前景的新兴分析技术，可以广泛应用于生命科学领域的基因研究、基因表达分析和疾病诊断。
下面我们将重点介绍基因芯片技术在基因表达研究方面的一些应用。
1、基因表达谱分析基因芯片技术不仅可以识别和量化单个基因的表达，同时还能够同时测量并比较限定的许多基因。
这种方法的产生使学者们无需单独的克隆和筛选，也不需要对基因的序列信息有很深的了解，就可以大规模快速、全面地分析基因表达谱。
举个例子，基因芯片技术可以在一个非常短的时间内分析一组基因的表达情况，通过分析，把不同结构和功能基因的表达情况可视化，这有助于学者们理解基因和生物体之间的关系。
这一应用在生命科学领域中被广泛使用。
2、发现基因与疾病之间的关系基因芯片技术不仅可以发现表达谱在基因水平上的变化，同时还能够帮助学者们发现与某些疾病有关的基因。
基因芯片技术通过对于基因的大规模分析，可以大大缩小关键基因的范围，这对于医学研究者来说，是一个极为宝贵的资源。
3、建立生命科学数据库基因芯片技术还可以通过全面的基因识别研究，为构建生命科学数据库作出重要贡献。
基因芯片技术可以获取基因表达谱信息，用以建立相应的数据库，这有助于学者们研究生物体的生理状态、基因调控网络的建立和控制机制的研究等方面。
生物信息学中的基因表达谱分析
生物信息学中的基因表达谱分析基因表达谱分析是生物信息学领域中常用的方法，用于研究基因在不同条件下的表达水平和模式。
通过分析基因在组织、器官、细胞或生物体中的表达谱，可以深入了解基因功能、调控机制以及与疾病发生发展的关系。
本文将介绍基因表达谱分析的常见方法和应用，并探讨其在生物医学研究中的作用。
基因表达是指基因通过转录和翻译过程产生的编码蛋白质的过程。
在生物体的不同组织和细胞中，不同基因的表达水平是有差异的。
基因表达谱是指基因在特定条件下的表达水平和模式。
通过对基因表达谱的研究，可以了解到基因在特定组织、器官或状态下的功能和调控机制。
基因表达谱分析的方法主要包括实验和计算两个层面。
在实验层面，基因表达谱分析的常见方法包括RNA测序、DNA芯片和实时定量PCR等。
RNA测序是一种直接测量不同基因在细胞或组织中表达水平的方法。
通过测序技术，可以获取到RNA序列的信息，进而推断出基因的表达水平。
RNA测序技术的应用范围广泛，可用于研究基因的转录调控和差异表达，以及发现新的转录本和非编码RNA等。
DNA芯片是一种间接测量基因表达水平的方法。
它通过将不同基因的DNA序列固定在玻璃片或硅片上，再将待测物的RNA经标记后杂交到DNA芯片上，通过检测标记的信号强度来推断基因的表达水平。
实时定量PCR是一种高灵敏度、高特异性的测量单个基因表达水平的方法。
它通过引物和荧光探针的特异性杂交，结合PCR反应实时监测技术，可以定量测量目标基因的RNA 量。
实时定量PCR广泛应用于基因的表达差异、时间序列和剪接变异等研究。
在计算层面，基因表达谱分析的常见方法包括差异表达分析、聚类分析和功能富集分析等。
差异表达分析用于比较不同条件下的基因表达差异，常用的方法包括t检验、方差分析和贝叶斯统计等。
通过差异表达分析，可以找到在不同条件下显著差异表达的基因，进一步研究其功能和调控机制。
聚类分析是将基因或样本按照表达谱的相似性进行分组的方法。
利用基因芯片分析小麦春化过程中茎尖基因表达谱的研究
利用基因芯片分析小麦春化过程中茎尖基因表达谱的研究春化作用对冬小麦(Triticum aestivum L.)的开花时间以及穗发育均有重要影响,研究小麦春化作用的分子机制对小麦的引种、栽培等生产环节具有重要的指导意义。
本研究以小偃6号小麦为材料,利用基因芯片技术检测了春化不同时期茎尖的基因表达谱。
以芯片数据为基础,分析了小麦中已知春化相关基因、MADS-box类基因以及组蛋白修饰和DNA甲基化相关基因在春化处理和未春化处理的茎尖和叶片中的表达模式。
根据芯片中基因表达量的变化,筛选出部分候选基因并进行序列克隆,通过异源转化拟南芥初步鉴定其功能。
1.春化过程中小麦茎尖的基因表达谱分析利用SAM(Significance Analysis of Microarrays)软件对芯片数据进行分析,在FDR (False Discovery Rate)<0.1时,共有1201组探针信号具有显著差异。
结合形态学的观察结果,我们筛选到在春化作用关键时期发生显著变化的探针233组,并对其进行了功能分类。
春化过程中发生显著变化的基因主要有:蛋白激酶、蛋白氧化还原酶及氨基酸转移酶相关基因(上调24个,下调11个),基因表达调控的相关基因(其中上调19个,下调14个),部分逆境胁迫基因及膜结合蛋白基因。
推测这些基因参与了小麦茎尖响应春化信号的过程。
2.已知小麦春化相关基因的表达模式通过对芯片数据的挖掘,找到了已知小麦春化相关基因VRN1、VRN2和VRN3的探针,利用qRT-PCR技术检测了这些基因在春化和未春化处理的小麦茎尖及叶片中的表达水平。
结果显示,春化处理后VRN1在茎尖和叶片中均被诱导表达,未春化处理的茎尖和叶片中该基因的表达量较低;VRN2在春化和未春化处理的茎尖中表达量均较低,而在未春化处理的叶片中的表达量较高;在春化和未春化处理的茎尖和叶片中都没有检测到VRN3的mRNA积累。
我们的实验结果支持了VRN1是小麦中响应春化处理并影响茎尖发育命运的关键基因这一假说。
分子生物学中的基因表达谱分析
分子生物学中的基因表达谱分析基因表达是指基因转录成RNA和翻译成蛋白质的过程，是细胞生命活动的重要组成部分。
基因表达过程中参与的基因、调控元件、信使RNA和蛋白质等分子组成了复杂的网络系统，其变化不仅决定了正常生理过程，也与疾病的发生密切相关。
因此，研究基因表达谱具有非常重要的意义。
基因表达谱是指在特定的组织、器官或细胞中，基因转录和翻译产生的RNA和蛋白质的数量和种类。
通过基因表达谱的分析，可以了解基因调控网络在某种条件下的变化，发现新的基因、发掘干预疾病的新靶点、评估药物疗效等。
在分子医学、新药研发等领域中，基因表达谱分析已经成为一个重要的手段和研究方向。
基因表达谱分析的方法主要有两种：一种是微阵列技术，另一种是RNA测序技术。
微阵列技术是利用已知序列的核酸探针来检测目标DNA样品上的基因表达情况；而RNA测序技术则是通过对RNA分子尾端进行加尾和逆转录，构建文库后进行高通量测序，获得RNA分子的序列信息。
近年来，基因芯片技术已经逐渐过时，而RNA测序技术则越来越被广泛应用。
基因表达谱分析的数据处理和分析也是非常复杂的。
这包括从原始数据中去掉噪声、标准化数据、差异基因筛选、通路分析等。
去噪声和标准化是基因表达谱分析的前提，也是结果的基础。
差异基因筛选则是为了寻找在不同条件下表达显著变化的基因，可以通过t检验、方差分析等统计方法进行筛选。
通路分析则是将筛选出来的差异基因映射到生物通路上，分析基因调控网络的变化过程。
通路分析和差异基因筛选可以提供更全面的理解基因表达细节和变化规律。
基因表达谱分析已经得到了广泛的应用。
在肿瘤研究中，基因表达谱分析可以帮助寻找到肿瘤特异性基因和新的免疫治疗靶点；在心血管疾病领域，基因表达谱分析有助于研究心血管系统的生物学特性和发病机制，并帮助发掘新的治疗手段。
同时，通过对不同物种的基因表达谱进行比较，还可以研究不同物种间的进化关系和遗传多样性。
总的来说，分子生物学中的基因表达谱分析是一项极为重要的研究方向和工具。
生物芯片技术在基因表达谱分析中的应用
生物芯片技术在基因表达谱分析中的应用基因表达谱分析是研究生物体中所有基因的表达活动的过程。
通过分析基因表达谱，我们可以了解基因在不同生理状态下的表达水平及其调控机制，从而揭示生物的生理和病理过程。
然而，由于人类基因组中含有数万个基因，传统的分子生物学实验方法相对耗时且费力，难以满足大规模基因表达谱分析的需求。
而生物芯片技术的出现为基因表达谱分析带来了革命性的突破。
生物芯片技术利用微加工技术制备出具有特定功能的微芯片，可同时检测大量基因的表达。
其工作原理基于互补配对的碱基识别，通过固相法将大量的探针（probe）固定在芯片表面。
当目标基因样品与芯片上的探针发生互补配对，便可检测到基因的表达水平。
这种高通量、高灵敏度的方法，使得基因表达谱分析研究不再受到基因数量的限制，具有极高的实验效率和可行性。
在基因表达谱分析中，生物芯片技术的应用主要包括两方面：基因检测和基因表达定量。
首先，生物芯片技术可以用于基因检测。
通过设计一系列与待检测基因序列互补的DNA探针，并固定在芯片表面上，可以快速、高效地检测目标基因是否存在。
当待测样品与芯片上的探针序列互补匹配时，探针序列受到样品的靶向结合，形成荧光信号。
通过对芯片上信号的检测和分析，可以确定目标基因在样品中的存在与否，从而实现基因的快速筛查。
这种方法广泛应用于生物医学研究、临床诊断和药物开发等领域。
其次，生物芯片技术还可以进行基因表达定量。
通过将不同基因的探针组合在一起，形成芯片上的基因表达谱图案，可以一次性检测样品中大量基因的表达水平。
此外，芯片上的探针还可以是荧光标记的，当目标基因与其互补配对时，可通过荧光检测技术测定基因的表达量。
相比传统的基因表达分析方法，生物芯片技术具有试剂用量少、重复性好以及高通量等优势，大大提高了实验效率和数据准确性。
总之，生物芯片技术在基因表达谱分析中的应用为生物医学研究提供了便利，并在临床诊断和药物研发中发挥了重要作用。
这项技术的快速发展与不断创新，将进一步推动基因表达谱的研究，为我们深入了解生物体内基因调控提供更多机会。
基因表达谱的分析与应用
基因表达谱的分析与应用基因表达谱是指在特定的生理和疾病状态下，细胞内不同基因的表达量。
它记录了一个细胞或组织中基因表达的整体情况，并反映了这个细胞或组织所处的状态。
近年来，随着DNA芯片技术的发展和大数据分析方法的不断更新，基因表达谱已成为了生物学、医学等研究领域的重要工具之一。
本文将从基因表达谱的原理及其分析方法、在医学领域中的应用等方面进行探讨。
一、基因表达谱的原理人体内的每一个细胞都包含相同的基因序列，但在不同的时间和空间中，各基因是否表达以及表达的水平都是不一样的。
基因表达谱通常由DNA芯片技术获得，DNA芯片是一种高密度的固相芯片，上面固定了数千至数百万个不同的DNA探针，用于检测样品中mRNA的表达量。
通过将细胞或组织中的mRNA荧光标记后杂交到DNA芯片上，利用荧光信号检测出不同探针的信号强度，得到基因表达量的信息。
二、基因表达谱的分析方法1、差异基因分析差异基因分析是基于不同条件下的基因表达谱数据，找出表达量差异显著的基因。
在疾病的机制研究中，可以将正常组织与被检测组织的基因表达谱进行对比，找出在疾病状态下存在显著差异的基因。
该方法常用于发掘分子标志物、疾病发生机制研究以及药物作用机制的研究等方面。
2、基因功能注释基因功能注释是将差异表达基因的生命学信息进行分类、整合和分析，以发现基因的生物学功能及其网络关系。
这项工作常常将基因表达谱数据与对基因的生物学注释进行比对，以验证差异表达的基因是否具有特殊的生物学含义，从而有针对性地深入研究。
3、基因集富集分析基因集富集分析是将差异表达分析结果中的基因按其生物学功能和通路进行分类，再与基因注释数据库中的通路进行比较，检测差异表达基因是否与特定通路、过程、功能相关。
三、基因表达谱在医学上的应用1、疾病标志物的筛选基因表达谱作为一种高通量技术，能大规模地筛选疾病标志物。
通过对不同疾病状态下的基因表达谱进行分析，能够找到在疾病发生和发展过程中特异的基因表达变化，从而寻找到新的疾病标志物，弥补传统生物化学方法的缺陷。
基因芯片和基因表达谱分析
基因芯片和基因表达谱分析在人类基因测序技术不断发展的背景下，基因芯片和基因表达谱成为了研究生物学和医学领域的重要工具。
本文将重点探讨基因芯片和基因表达谱分析的原理、应用以及未来发展方向。
一、基因芯片基因芯片（Gene chip）又称为微阵列芯片（microarray）是一种将数万个DNA序列可控地捕捉在一个硅片上的生物技术产品。
其原理基于同位素标签法和荧光标记法，用来研究生物大分子（包括DNA、RNA和蛋白质）在细胞周期、转录和翻译等生物活动过程中的表达差异和变化规律。
基因芯片的操作过程分为如下几步：1. DNA序列打印和固定。
通过免疫印刷技术，将已知的DNA序列按照一定的规则打印到芯片上，并使用化学方法将其固定在芯片上，作为反应体系中的探针。
2. 样品准备和反应。
将待测样品中的RNA提取、反转录成cDNA，再将其标记为荧光分子，加入到含有探针的芯片反应体系中。
其中，标记为红色和绿色的荧光分子分别代表着样品RNA在两种不同条件下的表达水平。
3. 芯片扫描和数据统计。
将芯片送入扫描仪中扫描，获得荧光信号强度。
通过芯片上探针的位置、荧光信号的强度以及探针序列的注释信息等，对数据进行分析和解读，得到各种基因的表达信息。
基因芯片在各个领域有着广泛的应用。
在医学领域，它可以用于疾病诊断、治疗效果预测、药物靶点筛选等方面的研究。
在生物学研究中，它可以分析基因调控、遗传变异和发育过程等生物学领域的课题。
二、基因表达谱分析基因表达谱分析是以生物体内mRNA的转录活性水平为信号，分析在不同条件下各种基因的表达水平差异。
常见的基因表达谱分析方法有RT-qPCR、Northern blot、Western blot、RNA-seq等。
其中，RT-qPCR方法是一种基于荧光信号检测的技术，可以非常精确地检测出RNA的拷贝数。
其操作过程分为三步：反转录、定量PCR和数据分析。
反转录过程中，RNA被逆转录酶逆转录成DNA。
基因芯片分析的理论与方法
基因芯片分析的理论与方法基因芯片分析是一种高通量的分子生物学技术，可以同时测定大量基因的表达水平和基因变异信息。
它广泛应用于基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等领域，对于研究疾病机制、生物发育和进化等方面具有重要意义。
本文将主要介绍基因芯片分析的理论基础和常用的方法。
基因芯片分析的理论基础是亲和杂交原理。
亲和杂交是指将目标基因组的DNA或RNA样品固定在微阵列芯片的表面上，利用亲和性较高的杂交探针与之杂交反应，然后通过适当标记的杂交信号进行检测和分析。
因此，基因芯片分析主要包括样品制备、杂交反应和信号检测三个步骤。
在样品制备阶段，需要提取目标生物样品中的DNA或RNA，并将其标记为荧光信号。
DNA标记通常使用PCR扩增方法得到标记产物，而RNA标记则需要先将RNA逆转录为cDNA，再利用荧光标记物标记cDNA。
此外，还需要对样品进行纯化和定量处理，确保样品质量和标记效率。
杂交反应是基因芯片分析的核心步骤。
首先，将标记的DNA或RNA杂交到芯片表面上，并进行杂交反应。
对于DNA芯片，杂交过程通常在高温下进行，以保持DNA的不变性。
对于RNA芯片，则需要在较低的温度下进行杂交，以保持mRNA的二级结构。
杂交反应的时间和条件需要根据不同的芯片类型和目标物质进行优化。
信号检测是基因芯片分析的最后一步。
根据杂交反应的结果，可以使用荧光扫描仪或激光扫描仪对芯片上的标记信号进行定量分析。
扫描仪会检测荧光标记物的强度，并将其转化为数字信号。
然后，通过数据分析软件对信号进行统计和分析，得到目标基因的表达水平或变异信息。
基因芯片分析的方法可以分为两类：基因型分析和表达谱分析。
基因型分析主要关注DNA片段的变异信息，例如检测SNP、CNV等。
该方法常用于遗传病的筛查和个体基因组的比较研究。
而表达谱分析则是研究基因表达水平的方法，通过比较样品之间的差异，发现与特定生理过程和疾病相关的基因。
该方法常用于研究疾病的发病机制、药物靶点的筛选和基因治疗的评估等。
基因芯片技术利用基因芯片进行差异表达基因分析解析PPT教案
差异表达基因分析
在Affymetrix等短的寡核苷酸芯片中，采用单色荧 光标记的方式，实验组和对照组分别用两张芯片进 行检测，表达差异值即为两张芯片的信号比值。
噪声和芯片本身的一些因素以及生物学本身的特点 给筛选差异表达基因带来了很大的麻烦。
必须设定一个差异表达基因的判定标准。这个筛选 的标准就称为差异表达基因的阈值。
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排秩统计量法
选择一个统计量给基因排秩（研究多，方法多） 为排秩统计量选择一个阈值，在阈值之上的值
将被认为是表达差异显著的值
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重复芯片（replicates）M值法
根据比率平均值或M值对基因排序。M值为信 号强度比值的log2值，M杠是任一特定基因在 重复序列中M值的均值。
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Z值法
在一张cDNA芯片上一般都点了很多基因，其实这些基 因中只有一小部分表达有差异，所以一般都假设表达 的比率值满足正态分布。
Z=(X-µ)/σ. |Z|>=1.96 在寡核苷酸芯片中，芯片上的基因在相应实验条件下
或相应组织中也只有一小部分基因有表达，可以假定 强度满足对数正态分布，同样可以对其作Z变换，使其 具有统计意义。
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Z值法
缺点： 如果实验体系中没有一条差异表达的基因，Z值法还是
会挑选出5％的差异表达基因。这是因为在芯片实验中， 总有一些由于背景噪声产生的假阳性点。 如果实际上实验中有大量的基因表达发生改变，Z值法 还是机械的找出5％的差异表达基因，丢失了一部分真 阳性点。
在加权均数中，权重为上面计算的基因间的相似性。K 值的确定具有一定的经验性，但不宜太大和太小。
基因芯片数据分析技术与应用研究
基因芯片数据分析技术与应用研究随着生物技术的发展和进步，基因芯片技术已成为现代生物学研究中不可或缺的工具。
基因芯片通过大规模并行的方式，可以快速、准确地分析数万至数百万个基因在不同条件下的表达水平，从而帮助研究人员深入了解生物基因调控和功能。
本文将探讨基因芯片数据分析技术的原理、方法和应用领域，并对其研究前景进行展望。
基因芯片数据分析技术的原理主要基于DNA杂交和荧光标记。
首先，将待测DNA样本通过逆转录反应转录为cDNA，并使用荧光标记技术标记。
然后，将cDNA与基因芯片上的探针进行杂交反应，荧光信号的强度反映了相应基因的表达水平。
最后，使用激光和探测器对芯片上的荧光信号进行扫描和检测，得到基因表达谱。
基因芯片数据分析技术的方法包括预处理、差异基因分析、功能注释和生物网络分析。
首先，在预处理阶段，需要对从芯片扫描得到的原始数据进行噪声去除、背景校正和数据正规化等处理，以获得准确可靠的实验数据。
接下来，通过比较不同样本之间的基因表达差异，可以筛选出具有显著差异表达的基因，帮助研究人员了解不同样本之间的生物学差异和变化。
然后，可以进行功能注释，将差异表达的基因与已知的基因注释数据库进行比较，探索其潜在的功能和调控机制。
最后，将差异基因与生物网络进行关联分析，揭示基因之间的相互作用和功能调控网络，深入理解生物系统的复杂性。
基因芯片数据分析技术在许多领域都有广泛的应用。
首先，基因表达谱的分析可帮助研究人员研究与疾病相关的基因和通路，为疾病的预防和治疗提供新的靶点和策略。
例如，在癌症研究中，基因芯片数据分析已经帮助揭示了肿瘤发生发展的分子机制，并为个体化治疗提供了有力支持。
其次，基因芯片技术也在农业和农村发展中发挥重要作用。
通过分析作物基因表达谱，可以研究作物与环境的适应性和抗性，以提高作物产量和品质，促进农业可持续发展。
此外，基因芯片数据分析还在药物研发、生物工程和环境科学等领域发挥着重要作用。
随着生物信息学的发展，基因芯片数据分析技术也在不断发展和改进。
基因表达谱分析方法的使用教程
基因表达谱分析方法的使用教程基因表达谱分析是研究基因在细胞或组织中的表达水平及其变化的重要手段。
通过分析基因表达谱，可以揭示基因在不同生理状态和疾病发生发展过程中的作用机制，为进一步的研究提供重要依据。
本文将介绍几种常用的基因表达谱分析方法及其使用教程。
1. microarray芯片技术Microarray技术是目前最常用的基因表达谱分析技术之一。
它通过在玻璃片或硅片上固定大量的探针序列，然后将待测样品中的RNA反转录成cDNA标记，与芯片上的探针序列杂交，利用荧光探针检测标记的cDNA的信号强度来反映基因的表达水平。
使用microarray技术进行基因表达谱分析的步骤如下：1) 设计实验：确定实验的目的、样品来源、实验方案和所需探针等。
2) 样品处理：提取RNA并进行反转录，将RNA转化为cDNA，并标记荧光。
3) 芯片处理：将标记的cDNA杂交于芯片上的探针序列，完成杂交后进行芯片洗涤。
4) 扫描芯片：使用芯片扫描仪检测芯片上标记的cDNA的荧光信号。
5) 数据分析：对扫描得到的图像进行图像分析、标准化、差异基因筛选和功能富集分析等。
2. RNA测序技术RNA测序技术（RNA-Seq）是一种基于高通量测序平台的基因表达谱分析技术，它通过直接测序RNA分子，可以定量测量每个基因的表达水平，并发现新基因和变异。
使用RNA测序技术进行基因表达谱分析的步骤如下：1) RNA提取：从细胞或组织中提取RNA，并进行质量检测和纯化。
2) RNA片段化和逆转录：将RNA经过碱水解或酶处理，得到短的RNA 片段，然后进行逆转录合成cDNA。
3) 文库构建：对cDNA进行末端修复、A尾化、连接测序接头和PCR扩增等处理，构建测序文库。
4) 文库测序：将测序文库装载到测序仪上，进行高通量测序，得到原始测序数据。
5) 数据分析：对原始测序数据进行质控、对齐、定量、差异基因表达分析以及功能注释等。
3. qRT-PCR技术量子链反应实时荧光定量聚合酶链式反应（qRT-PCR）是一种常用的基因表达谱分析方法，其优点在于准确、灵敏和高通量。
生物信息学中的基因表达谱分析方法与实验验证
生物信息学中的基因表达谱分析方法与实验验证基因是生物体内负责遗传信息传递和功能发挥的基本单位。
基因的表达谱是指在不同组织、不同发育阶段或不同环境下，基因的表达水平发生的变化。
了解基因表达谱对理解生物体的发育、生理功能以及疾病的发生机制具有重要意义。
生物信息学中的基因表达谱分析方法及其实验验证成为了研究人员关注的焦点。
一、基因表达谱分析方法1. 基因芯片技术基因芯片技术通过分子杂交的原理，用DNA探针将全部的基因序列固定在芯片表面，然后通过探针与待测RNA样品的杂交反应，测量待测RNA与芯片上探针的互作强度。
这样可以得到基因表达谱的信息。
基因芯片技术可以同时检测成千上万个基因的表达情况，具有高通量、高灵敏度和高度复制性的优势。
但芯片设计和数据分析存在一定的挑战。
2. RNA测序技术RNA测序技术是近年来发展起来的一种新技术。
通过将RNA反转录成cDNA，然后使用高通量测序技术对cDNA进行测序，得到读数，再通过比对到基因组上，计算基因的表达水平。
RNA测序技术不受芯片反应物数量的限制，可以检测所有表达的基因，并且能够检测到新的转录本和基因外转录本。
此外，RNA测序技术的精确度更高，可以检测到低表达基因的信号。
二、基因表达谱的实验验证1. 实时定量PCR实时定量PCR是一种常用的基因表达分析技术。
通过PCR反应体系中加入专一引物和荧光探针，可以测定特定基因的表达水平。
实时定量PCR可以定量测定基因在不同时间点或不同条件下的表达谱，具有高度灵敏度和高重复性。
此外，实时定量PCR也可以用来验证芯片和测序技术的结果。
2. 蛋白质印迹蛋白质印迹（Western blot）是一种常用的分析蛋白质表达水平和转录后修饰的实验方法。
通过电泳将蛋白质分离，并利用特异性抗体与目标蛋白质结合，然后用荧光或酶标技术进行检测。
蛋白质印迹可以定量测定蛋白质的表达水平，可以与基因表达谱进行对照分析，从而验证基因表达水平的准确性。
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杂交过程
影响杂交速率和杂交双链稳定性的因素 1．核酸浓度 2．探针的类型和长度 3．碱基组成 4．杂交液成分 （1）离子强度 （2）Formamide （3）季铵盐溶液 （4）杂交加速剂 5．不匹配序列 6．杂交时间 7．杂交温度
原核生物样品
数据分析流程图
原始图象文件(Cy3/Cy5) →定位 →栅格处理(griding)→数据自动提取
• 假阴性：一般不关心，但也要看实验目的 • 假阳性：验证 • 基因芯片结果需要传统方法的验证
新一代芯片技术 光纤微珠芯片
Screening Unlabeled DNA Targets with Randomly Ordered Fiber-Optic Gene Arrays,
Steemers, F.J., Ferguson, J.A., Walt, D.R., Nature Biotechnology,18, 91-94, 2000. Techview: Molecular Biology. Bead-Based Fiber-Optic Arrays, Walt, D.R., Science, 287,
标记
mRNA Reverse Transcriptase
cDNA in vitro transcription
cRNA
Fragmentation of cRNA GeneChip Hybridization
实验过程
• 样本制备 • 样本标记 • 预杂交 • 杂交 • 洗涤 • 染色（如生物素
标记） • 扫描 • 数据分析
RNA链的效率与未标记的NTP相同；检测的时候只 需在它的氨基反应基团上偶联Cy系列的染料或其他 染料；但实验误差大
标记方法
• RNA样本不扩增进行标记：在反转录的体 系中加入Cy3或Cy5标记过的dNTP类似物， 通过反转录酶的作用，标记新合成的cDNA。 这种实验方法效率较低，对RNA样本需求 量大，通常要50～200μg总RNA，1～3μg mRNA
合板D成N与A启互动补子的c下RRN游NA的A。模
Fragmentation of biotinylated cRNA
芯片杂交
• 将靶分子变性后，用预杂交液与芯片进行预杂交 1小时左右（ cDNA和长链寡核苷酸，42度（50 ％甲酰胺）；短链寡核苷酸，50度）
• 杂交：温度同预杂交，标记好的样品与杂交仓内 反应14-18小时
mRNA的纯化方法
• 两步法：从样本中制备总RNA，再从总RNA中分 离mRNA, 总RNA中包括rRNA、tRNA和mRNA， 其中９０％以上是rRNA和tRNA，分离mRNA的 原理一般利用真核生物的mRNA的３’端都有 polyA尾，用poly（dT）-纤维素亲和层析纯化 mRNA。
• 一步法：从组织样本中直接用poly（dT）-纤维 素亲和层析纯化mRNA，这种方法简便，但RNA 的纯度不够，当组织量少或对RNA质量要求不高 时可采用
• 荧光标记：标记分子在特定的波长范围被激光光 源激发出荧光，从而对含有标记分子的样本进行 检测。如花青素（Cyanin）Cy3、Cy5，其激发 和发射波长分别为：550/570和649/670。大部分 扫描仪都能对这两种荧光标记进行图像处理。这 种标记方法没有同位素标记的限制；而且具有极 高的灵敏度，能够进行定量检测
3’UTR
11-20 pairs of 25mer probe
Probe Pair
Perfect Match Mismatch
Probe cell or feature
Chip
• Each gene is represented on the probe array by multiple probe pairs • Each probe pair consists of a perfect match and a mismatch
• 基于T7的mRNA线性扩增：利用模板指导 下的体外转录反应来完成线性扩增。该方 法能从1～50ng mRNA分子出发扩增出足 够数量的cDNA靶分子。这种扩增方法更具 线性
合成cDNA二链
• 在小鼠白血病病毒（MMLV）反转录酶的作用下， 反转录生产cDNA一链。MMLV反转录酶会在 cDNA一链的3’端加上非模板的寡聚C残基，这时 加入3’端带有寡聚G的引物，可以结合到cDNA的 3’端，生成一小段双链的cDNA，再在DNA聚合 酶的作用下延伸形成
cDNA的过程中分别标记上Cy3和Cy5两种荧光， 制备成探针，竞争性地与芯片上的核酸片段进行 杂交
• 两种波长的激光扫描读取竞争杂交的结果，通过 计算机处理就能确定芯片上基因所结合探针的量， 通过计算两种荧光强度的比值来判断两种组织中 基因表达是否有变化。
双荧光系统芯片的原理及流程图
Cy3标记的A组织mRNA
Scan
Wash & stain
样本制备
• 表达谱基因芯片研究的对象是样本中的 mRNA，抽提出的mRNA需要经过反转录 酶的作用转变为cDNA，同时进行荧光标记， 标记好的cDNA靶分子就可用于杂交。
• 基因芯片实验中的RNA抽提大都采用分子 生物学中传统的方法，但要求必须能够尽 可能多的抽提出组织中的RNA分子，保持 实验数据信息与组织中mRNA拷贝数信息 之间的平行性。
• 加入RNase H，水解掉RNA模板，以残留的与 cDNA一链配对的短片段RNA为引物，在DNA聚 合酶的作用下生成双链cDNA
噬菌体T7 DNA编码的酶， 对T7启动子序列具有高
度特异性，m不能R识N别A其
它生物来源的启动子。
是依赖于DNA的RNA聚 合酶，具有5'→3'的RNA 聚合酶活性，以含有T7 启动子序列的双链DNA 为模板，以NTP为底物，
→数据入表达谱数据库
→原始数据标准化(normalization)
Ratio值分析
Cluster分析
显著性表达差异基因 具有相似表达谱基因
Experiment group/control :
信号叠加图
Hepacellular carcinoma/Normal liver
Red: 明显上调 Yellow: 差异不显著 Green: 明显下调
451-452, 2000 Decoding Randomly Ordered DNA Arrays, Kevin L. Gunderson, Genome Research,
14: 870-877, 2004.
光纤微珠芯片---技术原理
微珠
3.1 um无孔无荧光 硅珠
每个微珠单独质控
•有效的反应表面积和体积比 •低/无背景 •大小均一
逆转录：合成cDNA一链
• mRNA逆转录合成cDNA时用poly（dT）作 引物，可以直接用总RNA作为摸板进行逆转 录标记，简化步骤，减少mRNA的损失，从 而减少对组织的需求，也避免了从总RNA中 纯化mRNA的工作
• 总RNA的纯度不如mRNA高，直接从总RNA 进行mRNA的逆转录在一定程度上会影响到 逆转录标记的效率，需要尽可能保证总RNA 的纯度
混合探针
Cy5标记的B组织mRNA
杂交
以两种波长的激光扫描 Cy3-532nm Cy5-635nm
数据分析、寻找差异表达的基因
单色荧光系统
• 较短的寡核苷酸芯片如Affymatrix芯片； 载有较长片段的寡核苷酸芯片也可使用， 如Illumina芯片
• 实验组和对照组分别用同样的荧光物质标 记（或生物素biotin），分别与芯片杂交， 即一张芯片 Nhomakorabea杂交一个样本
• 洗片，扫描检测 • 杂交量依赖靶DNA和探针的浓度，当靶DNA浓
度一定时，荧光信号强度在一定范围内与探针量 成线性关系
RNA相对不稳定
Array
RNA:DNA Hybridized Array
Fragmented cRNA Target
Streptavidin phycoerythrin [Fluorescent dye]
• 根据杂交结果判断待测样品同芯片上哪个 片段结合，通过与对照组的比较转化成基 因表达的改变
单荧光系统芯片的原理及流程图
探针A：biotin标记
杂交
探针B：biotin标记
扫描
两张芯片上 相同位点信 号比
数据分析、寻找差异表达的基因
单通道和双通道的比较
• 单通道实验结果重复性更好，使得比较不 同样品之间各种基因表达的相对比例是可 靠的。进行多个样品之间（芯片之间）的 比较时，只需在多个样本中设置对照。由 于点样的是寡核苷酸，探针无法检测。
样本量
• 从多少总RNA中进行逆转录才能满足实验 需要？非扩增：20微克；扩增：1微克
• 有些情况下，样本极为稀有，不可能得到 大量的mRNA靶分子
• 基因芯片实验对总RNA量的需求在一定程 度上限制了该技术的推广
• 发展方向：提高检测灵敏度，减少基因芯 片实验样本用量
核苷酸的修饰方法
• 荧光标记：需避光，合成效率低，不同的荧光修 饰会影响标记效率，如Cy3标记的和Cy5标记的 NTP掺入到DNA和RNA链中的效率是不一样的； 最终也导致成本高
• RNA样本扩增后进行标记
扩增mRNA（cRNA）靶分子
• 联合应用cDNA扩增和模板指导下的体外转录反应 来完成线性扩增。
• PCR方法： 同一用量和限制循环次数的条件下，通过RT-PCR 可平行的扩增实验组和对照组的RNA样本以满足 实验要求并同时进行荧光标记。
扩增mRNA（cRNA）靶分子
单链和双链探针
• 双链探针在液相条件下自我复性从 而大大降低与固着的靶DNA杂交 的机会，从而降低了探测灵敏度， 因此需更多的探针量。
• 单链，使杂交灵敏度提高
基因芯片实验流程及方法
cDNA microarray