第十三章 生物芯片及数据分析技术
生物信息学中的生物芯片和序列分析
生物信息学中的生物芯片和序列分析随着基因测序技术的不断发展，生物信息学越来越受到广泛关注。
在生物信息学领域中，生物芯片和序列分析是两个重要的研究方向，它们能够帮助我们深入了解生命的奥秘。
生物芯片生物芯片是一种高通量检测技术，它可以在一张芯片上同时检测数千到数百万个基因或蛋白质。
生物芯片可以快速、精准地检测特定基因或蛋白质的表达水平，从而为基因功能和疾病研究提供了强有力的工具。
生物芯片的主要分为两类：基因芯片和蛋白质芯片。
基因芯片可以检测同一物种所有基因的表达情况，可以用于基因分类、基因表达、基因功能等方面的研究。
蛋白质芯片则可以检测蛋白质的表达水平和相互作用，可以用于研究蛋白质的结构、功能和相互作用。
生物芯片技术的发展为疾病的诊断和治疗提供了新的思路。
针对慢性病和癌症等疾病，生物芯片技术可以通过检测患者的基因表达水平、突变等信息，为临床医生提供更为准确的诊断和治疗方案。
序列分析序列分析是生物信息学中的另一个核心技术，它是通过对DNA、RNA或蛋白质序列进行比对和分析，来研究它们的结构、功能和进化规律。
序列分析的主要任务有以下几个方面：1）序列比对 - 比较两个或多个序列的相似性和差异性，发现序列之间的模式和特征；2）序列注释 - 针对已知序列进行功能注释，预测新序列的功能；3）序列分类 - 基于序列相似性和差异性进行分类和聚类，为生物分类系统的建立提供基础；4）序列进化 - 通过序列比对和分析，推断出序列或物种的进化关系。
近年来，序列分析技术在新药研发、生物制药和转基因等领域得到了广泛应用。
例如，在新药研发中，科学家可以通过对药物靶点的序列分析，预测药物靶点的结构和功能，从而为药物筛选和开发提供方向。
结语生物芯片和序列分析是生物信息学中两个不可缺少的技术，在基因功能和生物进化等方面的研究中具有重要的意义。
随着技术的不断进步和应用范围的不断扩大，它们将为人类深入了解生命科学的奥秘带来更多的惊喜和发现。
生物芯片分析
本章提纲
生物芯片简介与沿革 生物芯片的分类 基因芯片基本原理、流程与应用 蛋白质芯片及应用 其它芯片技术
第一节 生物芯片简介与沿革
什么是生物芯片 生物芯片(Biochip)主要指
通过平面微细加工技术，在 固体芯片表面等载体上的微 型生物化学分析系统，以实 现对细胞、蛋白质、核酸以
图像处理
1. 栅格化：确定点的位置 2. 图象分割 (Segmentation)：将点从背景中分离出来。 3. 抽提亮度：各个像素亮度的平均值 (mean)或中位数
(median) 4. 背景校正：局部或全局
植根区域生长法(SRG) Fixed Circle
基因表达量的定量
对于每个点，我们可以计算 Red intensity = Rfg - Rbg
1. cDNA microarrays: 将500~5,000bp的cDNA固 载到介质上 (例如玻璃)，Stanford开发设计，通 常为双通道
2. DNA chips: 将寡核苷酸探针 (20~80-mer) 合成 到芯片上，Affymetrix开发设计，通常为单通道
(1) cDNA microarrays
按实验要求分类
1. 单通道 (Single Channel): 一次检验一种状态 2. 双通道 (Dual Channel): 差异表达基因的筛选
1 片上原位合成寡核苷酸点阵芯片（ONA） 2 微量点样技术制作的CDNA 点阵芯片（CDA） ONA特点： （1）易寻址，利用组合化学的原理安排各寡核苷
(1) 差异表达基因的分析
1.差异表达基因的分析: 寻找处理前后表达上调或者 下调的基因
2. Are the treatments different 3. 使用标准的统计学方法检验 (t-test or f-test)，发
生物芯片数据分析简介
一、基因芯片与基因表达 二、基因表达谱统计与分类分析 三、Ontology与基因功能注释 四、基于芯片数据的pathway分析
一、基因芯片与基因表达
什么是生物芯片？
一块指甲大小（1cm3 ）的有多聚赖氨酸包被的硅片或其 它固体支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纤维 素膜、尼龙膜等 ）。 生物芯片通过微加工和微流体系 统将生化分析中的样品制备、生 化反应、及结果检测有机地结合 集成在一起 。 具有高速度、分析自动化、及高 度并行处理能力 。
Subcellular components where a gene-product is found. Encompasses subcellular structures, locations, and macromolecular complexes
GO example
(Browser at /cgi-bin/go.cgi)
cDNA microarray
microRNA Chip
Biological question
Experimental design Microarray experiment
Image analysis
Normalization
Estimation
Testing
Clustering
Discrimination
13,601 Genes
Signal Transduction Ligand Binding or Carrier Motor Protein
GO Analysis—目标基因群显著性、靶向性基因功能分析。 Go Analysis对目标基因（差异基因等）进行GO分类，而后 对GO进行基于离散分布的显著性分析、误判率分析、富集度 分析，得出与实验目的有显著联系的、低误判率的、靶向性 的基因功能分类，该分类即导致样本性状差异的最重要的功 能差别，其所属基因是进一步验证的重要目标基因。 数据要求：标有上调和下调比值的差异基因列表。
生物芯片技术
生物芯片技术的主要类型包括基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片等，其中基因芯片是最 常用的生物芯片技术之一。
生物芯片的分类
基因芯片 蛋白质芯片 细胞芯片 组织芯片
生物芯片技术：微小的 大科学
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汇报人：
目录
01 生 物 芯 片 技 术 的 定 义与分类
03 生 物 芯 片 技 术 的 优
势与局限性
05 生 物 芯 片 技 术 的 挑
战与对策
02 生 物 芯 片 技 术 的 应 用领域
04 生 物 芯 片 技 术 的 发 展趋势与前景
物多样性
司法鉴定：用 于法医鉴定、 亲子鉴定和基
因图谱绘制
Part Three
生物芯片技术的优 势与局限性
优势
高通量：一次可检测大量样本 高灵敏度：能够检测低浓度的生物分子 高特异性：能够准确区分不同的生物分子 自动化程度高：减少人工操作，提高工作效率
局限性
成本高昂：生物芯片技术的研发和生产成本较高，限制了其在某些领域的应用。
生物芯片技术在 药物研发中的应 用前景
生物芯片技术在 食品安全检测中 的应用前景
生物芯片技术在 环境保护和生态 监测中的应用前 景
Part Five
生物芯片技术的挑 战与对策
技术挑战
芯片制造技术：需要高精度、高稳定性的制造技术 数据分析技术：需要高效、准确的数据分析技术 生物样本制备技术：需要标准化、自动化的生物样本制备技术 生物芯片应用拓展：需要不断拓展生物芯片技术的应用领域
芯片数据提取与分析微阵列生物芯片...
摘要生物芯片技术是二十世纪出现的最具有时代特征的一项革命性技术它用承载有成千上万种DNA和蛋白序列的厘米见方的固体芯片取代了传统生物分析中所用的凝胶滤器和纯化柱它的出现对生物农业医学领域乃至整个人类生活健康的各个方面带来了巨大的影响生物芯片技术的作用就像生物微处理器能够在基因组规模上对基因表达谱病人基因型药物代谢疾病的发生和进展过程进行快速和定量的分析生物芯片检测技术对生物学的发展具有革命性的意义通过应用生物芯片扫描仪人们能够自动读取生物芯片上的信息在短短几分钟内获取大量的数据而在以前要读取这些数据需要几个月甚至几年的时间在荧光检测技术中体现生化反应程度的荧光由生物芯片扫描仪中的激光激发并通过光电倍增管或CCD相机捕获形成数字图像此图像即是生物芯片实验分析的原始数据因此生物芯片扫描仪性能以及对原始图像的处理效果将对后续分析具有重要影响本课题来源于生物芯片北京国家工程研究中心所承担的十五国家863计划生物芯片专项的研发项目微阵列生物芯片扫描仪的研制该项目致力于研制基于CCD相机和激光扫描显微镜结构的国产化生物芯片检测仪器目标是研制出价格低廉性能优良的国产生物芯片检测系统样机能使用该仪器进行临床疾病诊断分析本文首先介绍了有关生物芯片的基本概念和几种常用的生物芯片检测技术其中重点介绍了生物芯片的荧光检测技术然后探讨了生物芯片和生物芯片激光共聚焦扫描仪的工作原理以及目前国内外研发的最新进展接着阐述了我们选用的设计方案并且给出了仪器的原理图和结构图着重介绍了自制生物芯片激光共聚焦扫描仪系统的硬件电路及其相应嵌入式软件的设计在本文的最后我们对扫描仪的线性度灵敏度和重复性等性能指标进行了测试结果表明此生物芯片扫描仪是一台高性能的检测系统关键词生物芯片生物芯片扫描仪微阵列信号检测AbstractThe magic of biochip analysis is sweeping through the agricultural and medical sciences, replacing traditional biological assays based on gels, filters, and purification columns with small glass chips containing tens of thousands of DNA and protein sequences. Biochip function like biological microprocessors, enabling the rapid and quantitative analysis of gene expression patterns, patient genotypes, drug mechanisms, and disease onset and progression on a genomic scale. Biochip detection instruments are revolutionizing biology. These ingenious devices allow biochips to be read in an automated fashion, providing an amount of data in a few minutes that would have taken months or even years to acquire with antecedent technologies.In this technique, fluorescence intensities, which reflect the degree of biochemical reaction, are detected by imaging the array with a laser and capturing the image with a photomultiplier tube or a CDD camera, resulting in the production of digital images. The images from the reaction arrays constitute the essential raw data for biochip. Therefore, biochip scanner and robust image processing are particularly important and have large impacts on downstream analysis.This project is come from National Engineering Research Center for Beijing Biochip Technology. The project is supported by “863” project on biochip, which is studying on laser confocal biochip scanner and CCD biochip scanner. The target is working out a cheap and work well laser confocal biochip scanner, which can be used in clinic diagnosis. In this paper, the basic concepts and general application flows of biochip technology are introduced, including the detailed principles of fluorescence detections for biochip. We discuss the principle of biochip scanner and the latest development and research in the world; we also introduce our design of biochip including its principle figures and structure figures. We introduce in detail that the system’s hardware and the embedded software. The performances, including linearity, sensitivity, repeatability and so on, are tested with special methods. This biochip scanner is a high performance detection system.Keywords: Biochip Biochip scanner Microarray Signal detection1 绪论1.1生物芯片技术1.1.1生物芯片技术生物芯片biochip的概念来自计算机芯片发展至今不过十几年时间但进展神速它是指能对生物分子进行快速并行处理和分析的指甲盖大小的薄型固体器件[1]生物芯片能够以生物学上史无前例的快速度和精确性来研究生物的基因组信息其发展的最终目标是将生命科学和医学研究中许多不连续的分析过程包括样品制备生化反应及检测分析等集成到由一块或多块芯片构成的芯片实验室Lab-on-a-chip[1]或微型全分析系统micro total analytical system, μTAS[2]中自从1991年Fodor[3]等人提出DNA芯片的概念后近年来以DNA芯片为代表的生物芯片技术[4]~[7]得到了迅猛发展目前已有多种不同功用的芯片问世而且有的已经在生命科学研究中开始发挥重要作用生物芯片按功能分有基因测序芯片[8]表达谱芯片疾病诊断芯片[9]药物筛选芯片样品制备芯片[10]生化反应芯片[11]结果检测芯片[12]等按工作方式分有被动式芯片和主动式芯片[1]两种根据芯片结构和工作机理分为微阵列Microarray芯片和微流体Microfluidic芯片[13] [14]前者是由排成阵列形式的生物分子包括核酸蛋白质等构成其分析应用原理都是基于抗原和抗体的结合核酸分子的碱基互补作用等生物分子之间的亲和作用力所以也可通称为亲和型生物芯片后者则是以各种微管道网络为结构特征用来实现对包含生化组份微流体的控制和检测分析包括常见的毛细管电泳芯片[15][16]PCR反应芯片[11]介电电泳分离芯片[17][18][19]等本文谈到的生物芯片为微阵列生物芯片微阵列生物芯片是指采用光导原位合成或微量点样等方法将大量生物大分子比如核酸片段多肽分子甚至组织切片细胞等生物样品有序地固化于支持物如玻片尼龙膜等载体的表面组成密集二维分子排列然后与已标记的待测生物样品中靶分子反应反应结果用同位素法化学荧光法化学发光法或酶标法显示然后用精密的扫描仪或CCD 摄像技术记录通过计算机软件分析综合成可读的IC总信息从而判断样品中靶分子的数量[20][21]根据芯片上固定的探针不同微阵列芯片分为基因芯片蛋白质芯片细胞芯片组织芯片等微阵列生物芯片的检测过程如图1.1所示图1.1 微阵列生物芯片的检测过程因为基因表达的模式和它们的功能密切相关因此微阵列生物芯片为研究人类衰老药物反应激素反应脑疾病膳食及其他临床相关研究提供了史无前例的信息微阵列生物芯片技术也能用来检测基因序列的改变因而为在遗传筛选测试诊断领域建立新方法扫清了道路组织芯片和蛋白芯片正在对传统的组织免疫和生化分析进行微型化改造加速了人们对肿瘤分类蛋白-蛋白反应酶活性的分析由于微阵列生物芯片技术具有研究细菌病毒线虫果蝇植物奶牛鸡小鼠大鼠及灵长目基因组的能力它正在成为生物化学领域研究的诺亚方舟1.1.2生物芯片技术的历史基础生物芯片技术的出现在生物学发展的历史上是独特的因为还没有其它的技术把如此多的学科结合在一起并且能对生物体系提供定量和系统的分析20世纪90年代早期在斯坦福大学[22]发展起来的生物芯片技术主要结合了六门学科的内容它们是生物学化学物理学工程学数学和计算机科学下面从生物学的角度来观察生物芯片技术在历史发展过程中的继承性早在1949年Pauling及其同事就描述了基因突变改变的蛋白质和疾病之间的关系Pauling的实验表明患有镰刀型贫血症的病人红细胞中的血红蛋白较健康人的在凝胶电泳分析时迁移距离不一样Pauling等人把这种现象正确地解释为两者的血红蛋白表面电荷不一致通过调查比较正常个体镰刀型贫血症基因携带者和患病者Pauling等人认为血红蛋白编码基因的变化是引起血红蛋白改变的原因随后的基因测序证明了这一点Pauling等人发表的论文为人类疾病的分子遗传分析铺平了道路也为现在的生物芯片技术在遗传筛选检测和诊断领域的应用奠定了概念上的基础在Science杂志上发表的这篇有关血红蛋白的论文是生物芯片技术历史基础上的一个里程碑Watson和Crick于1953年在Nature杂志上发表的一篇杰出的论文中预测了DNA 分子的化学结构通过使用结构化学和模型的数据作者正确地推测DNA分子包含两条方向相反的链两条链通过碱基之间的氢键力结合在一起Watson和Crick还建议了特异的碱基配对法则A-T和 C-G以及磷酸基团分布在外部的双螺旋结构随后的生化和结构研究证实了这些预测Watson Crick和Wilkins由于发现了核酸的分子结构以及核酸在生物体中传递信息的重要性而分享了1962年的诺贝尔奖双螺旋结构的发现是十九世纪科学发现最重要的突破之一也是现今生物芯片技术中杂交反应的化学基础DNA和RNA聚合酶能把核苷酸连接起来合成DNA和RNA链20世纪50年代圣路易斯华盛顿大学的Kornberg及其同事受到Cori实验室有关糖原磷酸化酶工作的启发发现了DNA聚合酶随后Cori的另外一名学生Ochoa又发现了RNA聚合酶的活性Kornberg和Ochoa由于发现了核酸和脱氧核酸生物合成的机制而荣获1959年的诺贝尔奖聚合酶证明有很多实际的应用包括作为DNA重组聚合酶链反应PCR和微阵列分析中的关键酶聚合酶的发现在生物学的发展史上有着非常重要的意义一个特殊的DNA聚合酶是反转录酶它能以RNA为模板来合成DNA这个酶的活性是1970年由Baltimore Temin和Mizutani发现的他们结合DNA聚合酶分析和放射性同位素标记的方法发现在劳氏肉瘤病毒和其他RNA病毒合成过程中有反转录酶出现反转录酶含有核酸酶的活性以及在RNA病毒合成过程中必须有反转录酶的出现都表明有来自病毒的RNA作为模板以后的研究证明了这一点反转录酶的发现是出乎意料带有戏剧性的因为它看上去和当时认为的遗传信息应该从DNA流向RNA而不能逆向流动的观点是相反的Baltimore Temin和Dulbecco由于发现了肿瘤病毒和细胞遗传物质之间的相互作用而荣获1972年的诺贝尔奖反转录酶有很多实际上的用途包括在第一次生物芯片芯片实验中用作标记的酶[23]在20世纪70年代斯坦福大学的研究者研究了基于硝酸纤维素膜和尼龙膜的许多应用途径这些方法为二十年后生物芯片技术的建立提供了基本的理论基础1975年斯坦福大学的Crunstein和Hogness发表了第一篇描述生物芯片的论文作者采用了硝酸纤维素膜点上细菌克隆的方法来分离果蝇基因他们发表的文章也表明了在DNA杂交实验中行和列的重要性斯坦福大学的Davis及其合作者也用硝酸纤维素膜来检测细菌的噬菌斑类似的工作也用在高等生物中鉴别了第一个差异性表达的基因哈佛大学的Maxam和Gilbert以及MRC中心的Sanger和合作者在1977年分别独立地发明了DNA测序方法Gilbert和Sanger由于他们在确定核酸碱基序列上的贡献而分享1980年诺贝尔奖Sanger化学方法被用来对人的基因组进行测序测序得到的数据信息又被用来构建DNA生物芯片1980年的诺贝尔化学奖被授予给斯坦福大学的Berg由于他对核酸生化性质的基础研究特别是在重组DNA方面所作的工作Berg及其合作者建立的DNA重组技术是20世纪最重要的科技进步之一并且显示出很多实际的应用包括现在生物芯片技术中用到的克隆文库的制备DNA聚合酶发现后引发的另一革命性发明是20世纪80年代早期Cetus公司的Mullis及其同事发明的PCR技术PCR技术可以从少量的遗传物质中制备数以百万计的DNA拷贝确保可以从任何生物样品中对任何一个基因进行DNA分析PCR 技术在生物芯片样品制备过程和生物芯片用于诊断过程中都有广泛的应用荧光染料数十年来一直用于生物膜的检测包括Waggoner和Stryer在20世纪70年代做的早期研究而后在20世纪90年代早期有人将花青素cyanine这种染料用于DNA探针的酶促制备过程Pinkel及其同事在20世纪80年代和90年代早期发明了双色标记和检测方法用于染色体分析以上在荧光和荧光显微镜方面所做的工作为现在的生物芯片技术中荧光标记和荧光检测的应用奠定了基础在玻片上进行的初期的杂交反应是20世纪80年代晚期和90年代早期由Mirzabekov及其合作者在莫斯科Fodor及其合作者1991年在Affymax公司Maskos 和Southern1992年在牛津大学Eggers及其合作者在Baylor Smith及其合作者在美国威斯康星大学分别进行的在Imperial Cancer Research Fund (ICRF)工作的Hans Lehrach及其同事在20世纪80年代后期开创性地把机械手用于DNA阵列的快速制备他们使用固体针在尼龙膜上点入基因组DNA克隆制备了较大的阵列尽管他们制备的阵列还比较大但他们的工作表明机械手可以用于阵列的制备高精度的运动控制系统可广泛地用于光引导原位合成接触式点样和喷墨式点样1.2 生物芯片的使用生物芯片的使用过程一般来说包括如图1.2所示的几个步骤样品处理目标分子富集转录文库制备增扩标记数据处理放射显影光化学电化学活性酶促反应综合信息分析检测洗涤分子间反应或杂交芯片制作配体点阵及固定化图 1.2 生物芯片使用过程 1.2.1 样品处理 生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体除少数特殊样品外一般不能直接与芯片反应必须将样品进行预处理例如从血液或活组织中获取的DNA/mRNA 样品在标记成为探针以前必须扩增以提高阅读灵敏度[24]根据样品来源基因含量检测方法和分析目的不同采用的分离扩增及标记方法也不同为了获得反应信号必须对样品进行标记标记方法有荧光标记法[25]生物素标记法同位素标记法等1.2.2 芯片制作生物芯片的制作需要做三方面的准备准备固定在芯片上的生物分子样品芯片片基和制作生物芯片的仪器研究目的不同期望制作的芯片类型不同制备芯片方法也不尽相同以基因芯片为例基本上可分为两大类一类是原位合成即在支持物表面原位合成寡核苷酸探针适用于寡核苷酸一类是预合成后直接点样多用于大片段DNA有时也用于寡核苷酸甚至mRNA 1光引导原位合成法 AffymaxSanta Clara, CA 的Fodor 和他的同事在微电子工业的光刻技术基础上做了极具创意的改进发明了光引导原位合成法[26]用紫外光和固相化学合成的方法制作微阵列这种发明于上世纪九十年代初期的光引导原位合成方法发展非常迅速已经成为应用最为广泛的微阵列生物芯片制备方法中的一种Affymetrix 公司利用光引导原位合成技术制备核酸微阵列生物芯片2000年售出了超过200 000片用这种方法制作的微阵列生物芯片光引导原位合成前玻片表面先作硅烷化处理使玻片表面上生成活性胺基团然后用第二种含有特殊化学基团methylnitropiperonyloxycarbonyl MeNPOC 的试剂修饰活性胺基团MeNPOC 基团对于各种化学反应试剂都很稳定但可以被强紫外光照射大约30秒后有选择性地去掉MeNPOC 基团能够抑止任何没有紫外光介入下的化学反应因此被称为光保护基团去掉光保护基团后基片去除保护的表面上可以和特定种类的DNA 碱基充分反应微阵列生物芯片表面上的分子与DNA 碱基键合在脱氧核糖的3’位置这个位置上有一个活性氨基磷酸酯基团如图1.3 合成单元活化亲核反应键合重复图 1.3 光导原位合成的化学过程DNA 碱基连在玻片表面上这一过程被称为耦合每一个耦合过的碱基都在其5’羟基位有一个光保护基团如图 1.3用紫外光照射后碱基上的MeNPOC 基团被去掉且可与第二个碱基耦合重复去除掩膜基团耦合新的碱基步骤可以在玻片上合成各种序列的寡聚核苷酸利用光掩膜可以对微阵列生物芯片上特定区域有选择性的去除光保护基团从而在微阵列生物芯片表面的各个位置合成寡聚核苷酸光掩膜是半导体工业中用于生产微处理器用的镀铬模板光掩膜包括表面镀铬的玻璃板以及板上各个没有铬的区域如图1.4铬阻止紫外光通过而没有铬的区域则允许紫外光通过且照射到基片表面上因为掩膜可以加工成涂铬区域和不涂铬区域的不同种组合紫外光可以按照任何顺序照射到基片的各个区域这样可以用一组光掩膜逐步合成各种序列的寡聚核苷酸微阵列每个光掩膜可以在基片的任何位置合成DNA碱基镀铬模板上的单元可以做得很小能够制备点径为2050m的微阵列现在Affymetrix公司可以制备密度大于250000点/cm2的微阵列生物芯片光掩膜紫外光表面修饰有保护基团的基片键合后的碱基图1.4 按光掩膜定义的方式进行键合相比接触式和非接触式点样方法光引导原位合成的主要优势是任何序列的微阵列都可以用4种碱基A, G, C和T来构建用几种试剂代替为微阵列上每个位点制备和储存样品是其一大优势尤其是需要制备复杂的微阵列生物芯片时而劣势是其局限于制备短长度的寡聚核苷酸微阵列< 30个核苷酸光掩膜和微阵列生物芯片的加工成本也相当昂贵但是光引导原位合成法可能是最为经济的制备大量全基因组微阵列生物芯片的方法2点样法点样法是将预先通过液相化学合成好的探针PCR技术扩增后的cDNA或基因组DNA经纯化定量分析后通过由阵列复制器arraying and replicating device ARD 或阵列点样仪arrayer及电脑控制的机器人准确快速地将不同探针样品定量点样于带正电荷的尼龙膜或玻片相应位置上支持物应事先进行特定处理例如以带正电荷的多聚赖酸或氨基硅烷包被再由紫外线交联固定后即得到微阵列生物芯片点样的方式分两种其一为接触式点样[27]即点样针直接与固相支持物表面接触将样品留在固相支持物上其二为非接触式点样即喷点它是以压电原理将样品通过毛细管直接喷至固相支持物表面打印法的优点是探针密度高通常1平方厘米可打印2500个探针缺点是定量准确性及重现性不好打印针易堵塞且使用寿命有限喷印法的优点是定量准确重现性好使用寿命长缺点是喷印的斑点大因此探针密度低通常只有1平方厘米400点点样机器人有一套计算机控制的三维移动装置多个打印/喷印头一个减震底座上面可放内盛探针的多孔板和多个芯片根据需要还可以有温度和湿度控制装置针洗涤装置打印/喷印针将探针从多孔板取出直接打印或喷印于芯片上检验点样仪是否优秀的指标包括点样精度点样速度一次点样的芯片容量样点的均匀性样品是否有交叉污染及设备操作的灵活性简便性等等图1.5所示为点样仪实物图图1.5 点样装置实物图1.2.3 芯片检测芯片结果的判读要依据标记的报告分子的种类来设计判读装置最早是用同位素标记法需经过曝光显影然后用具有寻址功能的扫描仪扫读荧光标记是芯片信息采集中使用最多也是最成功的一种报告标记它没有同位素的使用限制应用激光作为激发光源的共聚焦扫描装置具有极高的分辨能力可以定量测读结果并可以有极高的灵敏度和定位功能目前已被普遍用于芯片杂交结果判读[28]进行平行分析时需要采用两种或更多不同波长的激光来激发2种或2种以上的荧光素来示差显示杂交结果此时氩离子激光器及氦氖激光器是较好的选择例如General Scanning公司的Scan Array 3000是双色荧光标记双激光激发的[29]而其后的Scan Array 4000和5000则是四激光激发四色荧光标记的气体激光器虽然在性能方面有巨大的优势但是其体积较大而且使用寿命短限制了它在扫描仪系统中的使用最新的扫描仪系统中有些使用半导体固体激光器它体积小寿命长价格便宜而且随着科学技术的不断发展半导体固体激光器的性能也在不断提高逐渐接近气体激光器的性能使用半导体固体激光器取代气体激光器是未来生物芯片扫描仪开发的趋势1.2.4 芯片数据提取与分析微阵列生物芯片数据分析简单来说就是对微阵列生物芯片的图像进行处理对图像中斑点的荧光信号进行定量分析通过有效数据的筛选和相关基因表达谱的聚类最终整合荧光斑点的生物学信息微阵列生物芯片在一块片基上集成了数十个至数万个点的识别分子每个点对应于一个基因或一段核酸DNA RNA片断或cDNA序列和反应测定的光密度值对于多色荧光染料标记的芯片还包括了荧光强度的比例信息同时芯片制作的目的制作的条件和方法样品的制备反应条件清洗条件和检测条件等信息均与该芯片对应可见在芯片的制作测定前后都有大量的信息数据需要处理因此需要有一个专门的系统来处理芯片的数据[30]一个完整的芯片数据处理系统应该包括芯片图像分析和数据提取芯片数据的统计学分析目前商用芯片数据处理软件层出不穷并不断有新的软件推出常用的有Axon Instruments公司的GenePix Pro软件Biodiscovery 的ImaGene系列Parkard的QuantArray等微阵列芯片数据提取与分析主要包括图像数据提取芯片数据标准化处理Normalization比率Ratio分析基因聚类分析Gene Clustering[31][32][33]1图像数据提取激光扫描仪扫描芯片得到的Cy3/Cy5图像文件通过图像滤波定位信号斑点提取得到基因表达的荧光信号强度值和背景值最后以列表或矩阵形式输出提取的数据结果由于芯片的制作反应清洗和测定过程中难免灰尘的污染以及测定样品中核酸蛋白质细胞和组织碎片的干扰或者由于芯片扫描仪的噪音往往产生较大的刺峰信号如果不予以消除将影响实验的结果[31] ImaGene采用一种中值过滤器的方法这种方法只能消除较尖细的刺峰干扰对于较粗大的刺峰不能剔除对一些较粗大的背景噪声可以通过对二值化后的图像的进行图像分割计算各分割区域的特征圆度较好并且面积也比较符合指标的区域即可认为是信号点面积太大超过指标的区域或者面积比较大并且圆度指标比较差的区域可以认为是噪声点也有人采用基于模糊数学以及神经网络的数字形态学方法构造不同尺寸不同形状的滤波算子,经腐蚀膨胀等运算提高图像的质量[34][35][36]点样仪在芯片上所点点阵为一个阵列形式但是由于点样的误差这个矩阵形式的点阵会出现一定偏差例如整个点阵的扭曲或点阵中斑点位置的偏移而且由于芯片上较大组织碎片或者灰尘的污染得到图像中会出现尺寸较大且亮度较高的噪声点这些点使用模式识别的方法较难排除因此较多的软件对斑点的识别仍然需要人为干预和帮助最常用的斑点识别方法是在图像中选择需要识别的区域输入芯片阵列的行列数斑点半径和阵列的行列间距由计算机自动产生一个圆圈整列套在芯片图像中使每个圆圈内包括一个斑点由于点阵排列的不完全规则需要手动对单个点进行调整通常的定量程序可以提供不同的确定斑点信号值和背景值的方法可以选择整个斑点区域确定信号强度但因为斑点内像素强度并不一致因此斑点内有效信号像素并不组成一个圆形在精确定量的情况下需要在斑点区域内分离有效信号像素和背景像素[37][38]背景的测量方法也不尽相同对于标准的玻片片基微阵列生物芯片阵列上不同位置的背景水平是不同的因此通常对不同斑点选取不同的背景常以斑点圆形区域外的一个环状区域作为斑点背景区域微阵列生物芯片中阵列各斑点提取的数据有斑点像素均值斑点区域内各像素灰度值的平均斑点的面积斑点区域内像素总数斑点像素中值斑点区域内各像素灰度值的中位值斑点像素标准差斑点区域内像素灰度值的标准差背景像素均值背景像素中值和背景像素标准差等推荐使用斑点区域和背景区域像素灰度的中值作为斑点强度和其背景强度下文中若无特别说明均采用此方法计算斑点强度此外对于双色荧光标记的芯片还需要提取阵列各个斑点2种不同荧光的强度值比[31]图像分析的目的是将扫描得到的微阵列生物芯片图像变成一个斑点强度数据阵列在数据提取完成后必须将各样点的数据输出大部分软件将提取的数据按芯片上点阵排列顺序以TXT文本文件的格式存入磁盘以便供其他的分析处理软件调用或者将此数据集输入到特定的关系型数据库中保存便于进一步的分析处理和查询2芯片数据标准化由于样本差异荧光标记效率和检出率的不平衡需对Cy3和Cy5的原始提取信号进行均衡和修正才能进一步分析实验数据芯片数据标准化正是基于此种。
《生物芯片》课件
技术挑战与解决方案
技术成熟度
生物芯片技术仍处在不断发展和 完善阶段，面临着诸多技术挑战 ，如灵敏度、特异性、可重复性
等。
解决方案
针对技术挑战，科研人员正在不断 探索和开发新的技术方法和解决方 案，如改进芯片制作工艺、优化检 测系统等。
标准化和规范化
为了提高生物芯片技术的可靠性和 可重复性，需要制定标准化的制作 和检测流程，推动技术的规范化应 用。
VS
详细描述
生物芯片技术也可应用于环境监测和食品 安全检测领域。通过检测环境样本中微生 物种类和数量，生物芯片技术能够评估环 境质量，为环境保护提供科学依据。在食 品安全方面，生物芯片技术可用于检测食 品中的有害物质、农药残留等，确保食品 质量和安全。
PART 05
生物芯片的挑战与前景
REPORTING
差异表达分析
比较不同条件下的分子表达谱 ，找出差异表达的基因或蛋白 质。
功能注释
对差异表达的基因或蛋白质进 行功能注释，揭示其在生物学 过程中的作用。
通路分析
对差异表达的基因或蛋白质进 行通路分析，揭示其在特定生
物学通路中的作用。
PART 03
生物芯片的类型与比较
REPORTING
DNA芯片
DNA芯片是一种高通量检测技术， 用于检测基因表达、基因突变和基因 组测序等方面。
详细描述
在新药研发和筛选过程中，生物芯片技术发挥着重要作用。利用生物芯片可以对大量候 选药物进行高通量筛选，快速找出具有潜在治疗作用的候选药物。同时，生物芯片技术
还可以用于研究药物作用机制和药物之间的相互作用，为新药研发提供有力支持。
环境监测与食品安全
总结词
生物芯片技术可以用于环境监测和食品 安全检测，保障公众健康和生态安全。
生物芯片数据分析方法_聚类和分类分析
聚类和分类分析
聚类
一、引言
• 物以类聚，人以群分。
1.相似性指标
基于物体的相似性将 物体分成不同的组
2.聚类算法
二、基因表达谱数据的聚类分析
• 聚类分析是基因表达数据分析最常 用的多变量技术。
• 在没有关于数据的先验知识时，对 不同的样本或实验间的相似性进行 研究。
• 机器学习：无监督学习。
• 绝对距离(q=1 ）
曼哈顿距离
• 欧氏距离（q=2 ）
• 切比雪夫距离(q=∞)
p
dij (1) X ik X jk k 1
p
dij (2) (
X ik X jk )2 1/ 2
k 1
dij
()
max
1k p
X ik
X jk
明氏距离的不足之处及解决办法：
① 明氏距离没有考虑指标的数量级水平及 量纲。当各变量数量级相差悬殊且量纲 不同时，采用明氏距离并不合理。
则由初等几何可知这个中线的平方为：
Dk2r
1 2
Dk2p
1 2
Dk2q
1 4
Dp2q
• 由于此公式中出现的全是距离的平方，所 以为了计算的方便，距离矩阵的元素也可 以都为平方。
• 上述八种系统聚类法的步骤完全一样，只是距离的 递推公式不同。兰斯（Lance）和威廉姆斯 （Williams）于1967年给出了一个统一的公式，即 将Gp和Gq合并为新类Gr，类Gk与新并类Gr的距离 公式为：
5.明考夫斯基距离（Minkowski distance）
• 令dij 表示向量Xi与Xj的距离，则明考夫斯基
的距离公d式ij (q为) ：( p X ik X jk )q 1/ q k 1
《生物芯片技术》课件
细胞芯片可用于药物筛选、毒理学研 究、细胞分型等方面。细胞芯片能够 模拟细胞在体内的环境，为研究细胞 生理和病理过程提供了有力工具。
其他类型生物芯片
总结词
除了基因芯片、蛋白质芯片和细胞芯 片外，还有组织芯片、免疫芯片等多 种类型的生物芯片。
详细描述
这些生物芯片根据不同的应用需求而 设计，具有各自独特的特点和优势。 它们在生命科学研究、医学诊断和治 疗等领域发挥着重要作用。
《生物芯片技术》课 件
目录
• 生物芯片技术概述 • 生物芯片的类型与原理 • 生物芯片的制作流程 • 生物芯片技术的应用实例 • 生物芯片技术的挑战与前景 • 相关资源推荐
01 生物芯片技术概述
定义与特点
A
定义
生物芯片技术是一种将生物分子或细胞等生物 样本高密度排列在玻璃、硅等固相支持物上的 微电子技术。
总结词
生物芯片技术可以用于环境污染物和食品中 有毒有害物质的快速检测，保障环境和食品 安全。
详细描述
生物芯片技术能够检测环境中的有毒有害物 质，如重金属、农药残留、工业废水等，以 及食品中的有害物质，如细菌、病毒、农药 残留等。这种快速、准确的检测方法能够及 时发现环境或食品中的安全隐患，保障公众
健康。
新药研发与筛选
总结词
生物芯片技术可以用于高通量药物筛选和化合物活性评 估，有助于加速新药研发进程和提高药物研发成功率。
详细描述
生物芯片技术能够快速检测大量化合物对细胞或组织的 影响，从而筛选出具有潜在活性的药物候选物。这种高 通量筛选方法能够显著降低药物研发成本和时间，提高 药物研发的效率。
环境监测与食品安全
标记物
将探针与荧光物质、酶等标记物结合，以便于后续的信号检测。
教学课件第十三章DNA芯片技术
第三节 DNA芯片技术的应用
DNA测序；杂交测序（SBH） 基因表达分析：
基因组研究：作图、测序、和检测与疾病相关的基因 及在RNA水平上检测致病基因的表达
药物研究与开发：
cDNA microarray expression patterns of small (S) and large (L) neurons
2.压电打印法
压电毛细管喷射器 产率较高
喷墨打印技术
Syringe Pump
Reservoir
Switching Valve
Connecting Tubing
High-Speed MicroSolenoid Valve
Removable Tip Orifice
Controller
（三）DNA微集阵列的制备 方式：预先合成DNA或制备基因探针然后
产率较低
原位合成(In Situ Synthesis)
Light directed oligonucleotide synthesis.
A solid support is derivatized with a covalent linker molecule terminated with a photolabile protecting group. Light is directed through a mask to deprotect and activate selected sites, and protected nucleotides couple to the activated sites. The process is repeated, activating different sets of sites and coupling different bases allowing arbitrary DNA probes to be constructed at each site.
《生物芯片技术介绍》课件
02
生物芯片的种类与制作方法
基因芯片
总结词
基因芯片是利用微阵列技术将大量基因探针固定在硅片、玻 璃片、塑料片或尼龙膜等固相支持物上，再与标记的样品进 行杂交，通过检测杂交信号强度和分布来获取样品分子的数 量和序列信息。
详细描述
基因芯片主要用于基因表达谱分析、基因突变检测、基因组 多态性分析等生物学研究领域。其制作方法包括直接合成法 、原位合成法、显微打印法等。
环境监测与食品安全
01
02
03
环境污染物监测
生物芯片可用于监测环境 中的有害物质，如重金属 、有机污染物等，为环境 保护提供技术支持。
食品安全检测
生物芯片可以快速检测食 品中的有害物质，如农药 残留、兽药残留、毒素等 ，保障食品安全。
转基因食品检测
生物芯片可用于转基因食 品的检测和分析，帮助消 费者了解食品的基因改造 情况。
数据分析与解读
生物芯片产生大量的数据，如 何进行有效的数据分析和解读
是技术挑战之一。
发展前景
临床应用
随着技术的不断进步，生物芯片在临 床诊断、治疗监测等领域的应用前景 广阔。
药物研发
利用生物芯片技术可以高通量筛选药 物候选物，加速药物研发进程。
科学研究
生物芯片在基因组学、蛋白质组学等 领域的研究中发挥重要作用，有助于 深入揭示生命活动的规律。
《生物芯片技术介绍》ppt课 件
• 生物芯片技术概述 • 生物芯片的种类与制作方法 • 生物芯片技术的应用实例 • 生物芯片技术的挑战与前景
01
生物芯片技术概述
定义与特点
生物芯片技术定义
生物芯片技术是一种将生物分子或细胞等样品高密度排列在固定载体上的微电 子芯片上，通过特定的检测手段对生物分子或细胞进行快速、高通量的检测和 分析的技术。
生物芯片技术完美版文档
生物芯片技术完美版文档生物芯片技术完美版文档一、前言随着生物学和电子学的迅速发展，生物芯片技术逐渐成为生物学、医学、农业、环保等领域的热门研究方向。
生物芯片技术是一种高效、快速、精准的分析和诊断方法，具有广阔的应用前景。
本文旨在介绍生物芯片技术的基本原理、分类和应用领域等方面的内容。
二、生物芯片技术的基本原理生物芯片技术基于“生物识别元件+检测元件+信号处理元件”的模式，是一种将微处理技术、生物技术和材料学有机结合的分析技术。
生物芯片技术的检测原理主要包括：1. 免疫检测原理：利用抗体与特定抗原之间高度亲和力的特性，将抗体或抗原担载于芯片表面，通过化学或物理反应，测定样品中特定蛋白质的含量。
2. DNA检测原理：利用核酸杂交和PCR扩增等生物学方法，将自然或合成的DNA序列寄生于芯片表面，会在适宜条件下与杂交物发生特异性反应，从而检测出样品所含的目标基因信息。
3. 蛋白质质谱检测原理：通过质谱技术，直接从复杂样品中分离出各种小分子化合物和生物大分子，并进行分析和鉴定。
三、生物芯片技术的分类按功能可分为基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片、配体芯片、酶芯片等；按制备方法可分为玻璃芯片、硅芯片、基底薄膜芯片等；按应用领域可分为医学、生物学、环保、食品安全、工业生产等。
四、生物芯片技术的应用领域1. 医学领域：生物芯片技术可用于快速、准确的诊断和治疗疾病。
例如，基因芯片可以检测遗传性疾病风险基因，提供个性化的治疗方案；蛋白芯片可以检测肿瘤标志物，辅助肿瘤诊断和治疗。
2. 生物学领域：生物芯片技术可用于基因表达谱分析、蛋白质组学研究等方面。
例如，基因芯片可以用于筛选基因表达谱中的关键基因，探索生物学的基本规律。
3. 环保领域：生物芯片技术可用于监测环境中有害物质含量。
例如，配体芯片可以检测水中的有害重金属离子，为环保工作提供科学依据。
4. 食品安全领域：生物芯片技术可用于检测食品中的污染物。
例如，酶芯片可以检测食品中的农药残留，确保食品安全。
生物芯片技术
（二）样品制备
常见的基因芯片实验样品有DNA、 mRNA(cDNA)两种。根据样品来源、基因含 量及检测方法和分析目的不同，采用的基 因分离、扩增及标记方法各异。
（三）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。 过程类似于一般的杂交法。 把要杂交的分子的溶液覆盖芯片的探针，用盖 玻片覆盖，即可杂交。
表达谱芯片实例
PCR法从外周血淋巴细 胞cDNA扩增产物热击T细胞 cDNA
扩增产物点样于 包被的玻片上
DNA芯片
未处理的 细胞c D N A
杂交
杂交
激光共聚焦扫描
发现17个 差 异 表 达 基 因 , 1 1 个被热诱导,6 个被热抑制,发现其中3个为未发现的新基 因
（五）在疾病诊断的应用
1 感染性疾病的诊断 性传播疾病、肝炎等。
2 遗传性疾病的诊断 地中海贫血、婚前检查等。
3 耐药性检测 结核分支杆菌耐药性检测芯片等。
生物芯片的优、缺点
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。 2 微型化，实验所需试剂用量少。 3 高度自动化。
缺点：在同一温度下杂交，不同探针杂交效率不同。
蛋白质芯片的分类
1. 按样品结合方式分为：化学型和生物化学型 2.按点样蛋白质有无活性功能分为：无活性芯片和活
性性芯芯片片 3. 按工作原理分为：探针型和凝胶电泳型芯片。 4. 按作用分为：蛋白质表达芯片和蛋白质功能芯片
二、蛋白质芯片质，点样 ➢ 制备待检样品(蛋白质、多肽、酶等) ➢ 对样品进行标记 ➢ 与芯片进行抗原抗体反应 ➢ 检测分析
Re m o v a b le Tip Orif ice
C o n tro ller
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酶标记（如辣根过氧化物酶HRP、碱性磷酸酶AP） 荧光标记（常用Cy3和Cy5） 化学发光物质标记（如吖啶酯）等
分子间的反应
• 主要有： ①抗原-抗体反应 ②蛋白质分子与其它蛋白分子或与核酸分子之 间的特异性识别结合 ③酶与底物的识别等 • 通过优化合适的反应条件使生物分子间反应处 于最佳状况中，可以减少生物分子之间的错配 比率。
以表达谱芯片为例： I. 提取样本组织细胞中的mRNA（样本要新鲜并有代表性） II. 对提取的mRNA进行纯化 III. 逆转录合成cDNA（可进行PCR以提高灵敏度） IV. 以双链cDNA为模板进行体外转录（荧光标记在此渗入）
③ 分子杂交
——是已标记的样品与芯片上的探针进行反应后产生一系 列信息的过程。 与传统的核酸分子杂交相同，但要求更高： 选择合适的反应条件、减少生物分子之间的错配率。 考虑杂交反应体系中盐浓度、探针GC含量和所带电荷、 探针与芯片之间连接臂的长度及种类、检测基因的二级结 构的影响。
深入分析：涉及Gq蛋白激活的花生四烯酸-HETEs 代谢通路
蛋白分子相互作用分析
常用数据库： • STRING 、pSTIING等
String9.05在线分析
pSTIING在线分析
单基因分析
常用数据库： • 美国国家生物技术信息中心（NCBI） • 欧洲生物信息研究所（EBI）
蛋白质芯片技术
每个探针点的Flag值/Call值：表达谱芯片中常用A、 P、M来表示该探针点信号与背景信号的差异 ——A-Absent：无显著性差异 P-Present：有显著性差异 M-Marginal：差异介于A和P之间 ——要求比较的两组，至少有一组内不出现A
视图分析
散点图（Scatter plot）
3、肿瘤的基因诊断
例：Affymetrix公司，把P53基因全长序列和已知突变的探针 集成在芯片上，制成P53基因芯片，将在癌症早期诊断中发 挥作用。
药物筛选
• 利用基因芯片技术可比较正常组织（细 胞）与病变组织（细胞）中大量相关基 因表达的变化，从而发现一组疾病相关 基因作为药物筛选靶标。应用DNA芯片 还可直接筛选特定的基因以寻找药 物作用的靶点。特点：
① ② ③ ④ ⑤ 高通量（一张芯片同时可分析千上万的分子） 微型化（可装入口袋） 自动化（技术自动化；结果分析自动化）ຫໍສະໝຸດ 低成本（相对于同时进行大量分
子研究而言）
防污染
分类：
DNA芯片（基因芯片） 微阵列芯片 蛋白质芯片 组织芯片 细胞芯片
生物芯片
芯片实验室（Lab-on-a-chip）： ——生物芯片技术发展的最终目标。
生物信息学分析
——基因芯片读数实际上是扫描后的信号强度，是 一种相对值。不同芯片之间要经过以看家基因作 为对照的标准化处理才有可比性。
常用GAPDH 或β-actin基因
归一化的数据
1. 差异基因的筛选
倍数差异FoldChange=SignalA/SignalB（即待比 较的两个标准化以后的信号相除所得的值） ——常用标准Ratio（0.5，2.0） 显著性差异p值：进行统计学t检验，p<0.05为显 著性差异，p<0.01为强显著性差异 ——生物学重复不少于3个
基因组学与功能基因组学
• 转录组 • RNA组（非编码RNA） • 蛋白质组
人类基因组计划催生了大量生物数据
GeneBank数据的快速增长
怎样去研究如此众多基因的生物信息及其 在生命过程中所担负的功能，成了全世界 生命科学工作者共同的课题！
传统核酸印迹杂交的局限性
• 传统核酸印迹杂交：Southern Blotting 和Northern Blotting等 • 技术复杂、自动化程度低、检测目的分子数量少、 低通量(low through-put)等
人类基因组计划主要研究内容
• 物理图谱：以基因或一段 • 以遗传标记为位标、以遗传 学距离为图距绘制。 已知核苷酸序列的DNA片 • 染色体DNA的全部碱基序 段（称为序列标签位点， 列（也是分辨率最高的物 sequence tagged site，STS） • 反映基因、DNA多态性等 理图谱）。 遗传标志在染色体DNA上 为位标、实际距离（位标 的相对位置、连锁关系。 间隔的碱基对数）为图距 • 遗传图谱、物理图谱、转 绘制。 录图谱等的信息均可以整 • 单位：厘摩（centi-Morgan, 合到序列图谱上，是一般 cM）。连锁的遗传标志之 • 转录图谱（表达图谱）： 意义上的人类基因组计划。 间的重组频率为1% 时，它 以基因（以外显子或表达 序列标签EST为标志）为位 们的相对距离为1cM， 相 标、实际距离为图距绘制， 当于106 bp(1Mb)。 是遗传图谱与物理图谱的 统一。
原位合成法和直接点样法的比较
基因芯片的基本构造
探针 支持物
外观
剖面图
平面局部放大
1.支持物：如玻片、硅片、NC膜、Nylon膜 2.探针：高密度的探针序列按照一定的次序固定 在支持物上，每个位点的序列是已知的
DNA microarrays on glass slides
② 样品制备（DNA、mRNA）
蛋白质芯片信号的检测
2.蛋白质标记法： ①荧光标记的芯片既可用激光共聚焦检测，也可用 电荷偶联照像系统（CCD）进行检测 ②酶标芯片显色后用高精度的CCD进行检测 • 常用的芯片信号检测是将芯片置入芯片扫描仪中， 通过采集各反应点的荧光位置、荧光强弱，再经 相关软件分析图像,即可以获得有关生物信息。
火山图（Volcano plot）
聚类分析将基因与最相关的表达谱放在一起，分析的基础是
总基因组的线性相关。生物系统的有序性质可以保证聚类分析 方法会揭示出生物行为的有趣特征。
GO（Gene Ontology）分析
——寻找不同样品的差异基因可能和哪些基因功 能的改变有关。 分类： • 分子功能（Molecular Function） • 生物过程（biological process） • 细胞组成（cellular component） 常用数据库： • DAVID、GATHER、PANTHER等
人类基因组计划
人类基因组计划（human genome project, HGP）是 一项国际性科学研究计划，旨在阐明人类基因组30 亿个碱基对的序列，从物理和功能角度发现和定位 人类基因组基因，破译人类全遗传信息，使人类第 一次在分子水平上全面地认识自我。
上世纪70年代，美国投入巨资的“肿瘤计划”搁浅，人们 渐渐认识到，包括癌症在内的各种人类疾病都与基因直接 或间接相关。 1984年，美国能源部（DOE）首次探讨人类基因组DNA进行 全序列分析的前景。 1986年美国生物学家、诺贝尔奖获得者杜尔贝科(R. Dulbecco) 在《science》发表《癌症研究的转折点—— 测定人类基因组序列》（“人类基因组计划的标书” ） 得到热烈响应。 1990年10月1日，人类基因组计划正式启动。 2001年2月，人类基因组序列“工作框架图”公布。 2006年5月，最后一条染色体序列被公布。 2008年1月，个人基因组计划启动。
蛋白质芯片（Prochip）
——与DNA芯片比较类似，只不过蛋白质芯片利用的是 抗原/抗体、配基/配体（或受体）等蛋白质之间的相互作用。
蛋白质芯片
蛋白质芯片与DNA芯片的差异：
① 制备时的配基不同、固定条件不同 ② 点样密度不同 ③ 结合反应的原理不同 ④ 检测方法基本相同 ⑤ 应用方向不同
蛋白质芯片探针及其标记
表 健脾益气法相关差异基因GO分类（DAVID 6.7）
KEGG pathway分析
——包括图解的细胞生化过程如代谢、膜转运、信 号传递、细胞周期，及同系保守的子通路等信息
常用数据库： • DAVID、BIORAG（Bio
Resource for Array Genes）等
表 健脾益气法相关差异基因信号通路分析（DAVID 6.7）
——与一般的核酸提取比较类似，只不过为了降低污 染和提高检测灵敏度增加了纯化、扩增（PCR）和标记。 常用标记物： 生物素 荧光素 (常用)
激发波长554nm，发射 波长568nm，红色荧光
待测样品（用Cy3-dUTP 标记） 对照样品（Cy5-dUTP）
激发波长649nm，发射 波长666nm，绿色荧光
——把生物、化学等领域中所涉及的样品制备、生物化学反应、分离检测等 基本操作单位集成或基本集成于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。
第一节 基因芯片（gene chip）
又称为DNA芯片（DNA chip）或 DNA微阵列（DNA Microarray）。 将大量已知的探针（寡核苷酸片段或DNA片段）固定于 支持物上，然后与标记的样品DNA按碱基互补配对原则进 行杂交（探针能够在基因混合物中识别出特定基因），最 后通过检测杂交信号的强度及分布来对特定基因进行分析。
蛋白质芯片信号的检测
• 对吸附到蛋白质芯片表面靶蛋白的检测主要有两 种方式 ： 1.以质谱技术为基础的直接检测法〈如表面增强激 光解析离子化-飞行时间质谱技术(SELDI - TOF MS)〉
图1 亚健康状态中部分阳虚质患者血清蛋白质图谱
图2 亚健康状态中部分阴虚质患者血清蛋白质图谱
由峰值强度反映组间具有相同质荷比（M/Z）蛋白质的含量差异
Affymetrix基因表达谱芯片的实验流程
利用DNA芯片进行杂交测序的原理
• 杂交测序技术（SBH）可大规模地检测和分
析DNA的变异及多态性。
突变
疾病诊断
1、用于诊断遗传性疾病
例：上海联合基因公司开发了β-地中海性贫血的检测芯片
2、用于病原体的检出和确定