生物芯片分析((美)M.谢纳(Mark Schena)著;张亮等译)思维导图
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7 基因芯片
性染色体。
功能基因组学
• 基因组DNA测序： 人类对自身基因组认识的第一步。
• 功能基因组学： 从基因组信息与外界环境相互作用的高度，阐明
基因组的功能。 • 功能基因组学的研究内容：
– 人类基因组 DNA 序列变异性研究 – 基因组表达调控的研究 – 模式生物体的研究上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午10时39分8秒 上午10时39分 10:39:0820.10.21
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一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.2120.10.2110:3910:39:0810:39:08Oc t-20
•
牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年10月21日 星期三10时39分8秒 Wednesday, October 21, 2020
3、反转录并标记 随机引物法逆转录 标记物：同位素、荧光染料(cy3-绿色/cy5 －红色)、化学发光
三、杂交实验条件
• 杂交 杂交体积(使核酸浓度增加10万倍） 玻片: 2-200l 滤膜：5-50ml 杂交液和杂交液的组份 杂交温度、时间
• 洗涤 洗涤液的组成 洗涤的温度、时间
四、杂交信号的检测 1、激光共聚焦扫描 光源：特定波长的光 激发面积：<100m2 ScanArray 3000 2、CCD 成像术 光源：连续波长的光（如弧光灯） 激发面积：同时激发多个1cm2
•
追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月21日星期 三上午10时39分8秒10:39:0820.10.21
•
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年10月 上午10时39分20.10.2110:39October 21, 2020
功能基因组学
• 基因组DNA测序： 人类对自身基因组认识的第一步。
• 功能基因组学： 从基因组信息与外界环境相互作用的高度，阐明
基因组的功能。 • 功能基因组学的研究内容：
– 人类基因组 DNA 序列变异性研究 – 基因组表达调控的研究 – 模式生物体的研究上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午10时39分8秒 上午10时39分 10:39:0820.10.21
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牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年10月21日 星期三10时39分8秒 Wednesday, October 21, 2020
3、反转录并标记 随机引物法逆转录 标记物：同位素、荧光染料(cy3-绿色/cy5 －红色)、化学发光
三、杂交实验条件
• 杂交 杂交体积(使核酸浓度增加10万倍） 玻片: 2-200l 滤膜：5-50ml 杂交液和杂交液的组份 杂交温度、时间
• 洗涤 洗涤液的组成 洗涤的温度、时间
四、杂交信号的检测 1、激光共聚焦扫描 光源：特定波长的光 激发面积：<100m2 ScanArray 3000 2、CCD 成像术 光源：连续波长的光（如弧光灯） 激发面积：同时激发多个1cm2
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追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月21日星期 三上午10时39分8秒10:39:0820.10.21
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严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年10月 上午10时39分20.10.2110:39October 21, 2020
《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。
【教学课件】第7章_第6节_生物芯片技术(3_LMJ)'
生物芯片是继大规模集成电路之后的又一次具有 深远意义的科学技术革命。
生物芯片将会改变生命科学的研究方式，革新医 学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。
ppt课件
3
ppt课件
4
（Edwin Mellor Southern）
萨瑟恩提出的核酸杂交理论，即标记的核酸分子 能够与被固化的与之互补配对的核酸分子杂交。
DNA芯片是指在固相支持物上原位合成寡核苷酸 或者直接将大量预先合成的DNA探针以显微打印的方 式有序地固化于支持物表面；
使用时与标记的样品杂交，通过对杂交信号的 检测分析从而得出样品的遗传信息。
2020/11/3
ppt课件
12
（一）从支持物来分主要有：
1. 玻片型 这种芯片的点阵是通过原位合成技 术制作的，点阵密度很高，所以必须借助于特殊的 仪器对测定结果进行解读和分析。
Southe3
ppt课件
5
（Frederick Sanger ）
（Walter Gilbert）
桑格和吉尔伯特发明了现在广泛使用的DNA测序方 法，并由此在1980年获得了诺贝尔奖。
生物芯片这个概念首先是由Fred Sanger和Walter Gilbert提出的；解决了传统核酸印迹杂交技术复杂、
显微光蚀刻技术 (光引导原位合成) 压电打印法 分子印章法
喷墨点样 针式点样
分子印章法
2020/11/3
ppt课件
18
一、原位合成DNA芯片的制作
(一)显微光蚀刻技术
1. 支持物经化学处理, 表面活性羟基(OH)连接光敏 保护基(X), 选用光刻掩模(M1)保护非聚合部位；
2. 用激光点光源照射聚合部位,去除光敏保护基(X), 暴露活性羟基(OH)；
第十三章 生物芯片
包括四个基本要点
• 芯片方阵的构建、样品的制备、生物分子反应和信
号的检测等。
• 1.芯片制备是先将玻璃片或硅片进行表面处理，然
后使DNA片断或蛋白质分子按顺序排列在芯片上
• 2.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。可将
样品进行处理，获取其中的蛋白质或DNA、RNA， 并且加以标记，以提高检测的灵敏度。
Reservoir Controller
• 点膜型根据支持物的不同，有如下几种： • 薄膜型：如聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼 纶膜等。这种类型芯片的点阵是通过点膜 形式制作的，并通过一定的方法使探针能 够牢固地结合于其上，整个过程类似于斑 点杂交技术（如clone tech公司）。 • 玻片型：这种芯片的点阵是通过原位合成 技术制作的，点阵密度很高，须借助于特 殊的仪器对测定结果进行解读和分析。当 前具有此类产品研制能力的公司很少（如 Affymetrix公司）。
应用之一 —— 基因表达谱（gene expression pattern)
• Research Use.
Biological Sample Functional Information
• Clinical Diagnostic Use.
One Disease——One Gene Expression Pattern
3基因芯片的应用
• 基因表达检测：人类基因组编码大约10万个 不同的基因，仅掌握基因序列信息资料，要 理解其信息功能是远远不够的，因此，具有 检测大量mRNA的实验工具很重要。基因芯 片技术易于检测非常大量的mRNA并能敏感 地反映基因表达中心的微小变化。利用基因 芯片技术人们已比较成功地对多种生物包括 拟南芥、酵母及人的基因组表达情况进行了 研究，并且用该技术（共157112个探针分子） 一次性检测了酵母几种不同株间数千个基因 表达谱的差异。
生物芯片数据分析方法
凝聚法聚类过程是：
① 假设总共有n个样品（或变量），首先将每个样品 （或变量）独自聚成一类，共有n类；然后根据所
确定的样品（或变量）“距离”公式，形成初始 距离矩阵。之后，将其中距离较近的两个样品（ 或变量）聚合为一类，其它的样品（或变量）仍 各自聚为一类。
② 第二步再根据新合并类与其他类的“距离”计算 公式，在形成的新的距离阵中，将“距离”最近 的两个类进一步再聚成一类；
不同聚类方法产生的系统树图间存在差异。 常用的方法：在固定分类的情况下比较不同方法聚类
结果的一致性。
假定有两个系统树，把两棵树都进行切割，把对象分成K 类。
两棵树的相似性可以定义为在一棵树中分到相同的类中 而在另一个棵树中分到不同的类中的所有的配对观测对 象的比例。
0
61
聚类树的分割
系统聚类树可以用于分割数据，分割的类数由用户确 定。分割的方法为：在树的一定深度上（从根部开始的 距离）进行切割，不同深度的切割产生不同的分类结 果。
3 clusters? 2 clusters?
层次聚类
确定类别个数？
指定类别数 相似性阈值
如何比较不同聚类方法的聚类结果？
广义欧氏距离的优点在于：
①广义欧氏距离又称为马氏距离。马氏距离考 虑了观测变量之间的相关性。
②马氏距离还考虑了观测变量之间的变异性， 不再受各指标量纲的影响。
③将原始数据作线性变换后，马氏距离不变。
利用ＭＡＴＬＡＢ计算广义欧氏距离
pdist函数
5.明考夫斯基距离（MINKOWSKI DISTANCE）
层次聚类-类间距离度量
在对含非单独对象的类进行合并或分裂 时，常用的类间度量方法：
层次距离-类间距离度量
最小距离：倾向于形成链状的类，仅仅一个小的距离 就能使两个差异很大的类融合到一起，因此形成的类 呈现出长的链状。
生物信息学第七章
• 微阵列的主要应用在于对基因表达问题的研究 • 基因表达数据中包含着基因活动的信息，可以反映细 胞当前的生理状态。通过对该数据矩阵的分析，可以 回答一系列的生物学问题：
– 基因的功能是什么？ – 在不同条件或不同细胞类型中，哪些基因的表达存在差异？ – 在特定条件下，哪些基因的表达发生了显著变化，这些基 因受到哪些基因的调节，或控制哪些基因的表达？ – 微阵列广泛应用的另一个重要原因是为了理解基因网络 （network）或通路（pathway）。
• 首先提出基因芯片所要解决的问题，确定研究目标， 例如，研究基因的SNP。检测或分析DNA的变异或 者进行基因差异表达的研究。 • 根据所要解决的问题，选择一组特定的基因对象。 • 其次，根据所选择的基因序列，设计探针序列以及探 针在芯片上的分布。 • 然后根据设计结果制备基因芯片，制备方法大致分为 在片合成法和点样法。 • 接下来就是对靶基因即待测样品进行扩增和标记 • 然后进行杂交实验，并对基因芯片的杂交结果进行检 测 • 最后根据获得的荧光图谱，进行数据处理分析，报告 检测结果，并将相应的数据存入数据库。
• 靶基因的制备需要运用常规手段从细胞或组织中提取 模板分子，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进行扩增提高阅读灵敏度， 但这一过程操作起来却有一定的难度。 • 对于检测表达的芯片，样品制备通常涉及mRNA的纯 化、cDNA的合成、体外转录或者PCR、标记等步骤； • 而对于SNP或者突变的检测，则往往涉及基因组 DNA的纯化和PCR、标记等步骤。 • 待测样品的标记方法有荧光标记法、生物素标记法、 放射性核素标记法等。目前采用的最普遍的荧光标记 方法是通过在扩增过程中加入含有荧光标记的dNTP （至少一种为荧光标记），在转录和复制过程中荧光 标记的单核苷酸分子被引入新合成的DNA片段。
《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。
第七章生物信息学与生物芯片技术详解演示文稿
第十三页，共44页。
14 mRNA表达谱芯片服务内容：39个物种
第十四页，共44页。
15
上海伯豪生物
/
第十五页，共44页。
二、基因芯片工作基本步骤
16
（一）基因芯片设计
• 提出基因芯片要解决的问题，确定研究目标。
• 根据所选择的基因序列，设计探针阵列，确定 每个探针以及探针在芯片上的排列。
第二十七页，共44页。
28
（六）研究领域
1 测定未知序列
一组寡核苷酸探针
ATACGTTA
TACGTTAG
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
ACGTTAGACGTTAGAT GTTAGATC
ATACGTTAGATC
昂飞是生物芯片产业的先驱，公司长期与美国国立卫生研究院、 斯坦福大学、麻省理工、哈佛、耶鲁、加州大学伯克利等世界 知名院校和研究所合作,在生物芯片行业中始终处于国际领先地 位。
第十一页，共44页。
第十二页公司
科学家正着手于将生物芯片技术应用于亲子鉴定中，应用生物芯 片后，鉴定精度将大幅提高。
第二十六页，共44页。
27 （五）现代农业
基因芯片技术可以用来筛选农作物的基因突变， 并寻找高产量、抗病虫、抗干旱、抗冷尚待开发。
白质表达谱的分析、蛋白质功能及蛋白质-蛋白质间相互 作用的研究、临床疾病(如肿瘤等) 的诊断和疗效评价、 药物新靶点的筛选和新药的研制等各个领域。
Patrick O. Brown. Quantitative Monitoring of Gene Expression Patterns with a Complementary DNA
生物芯片的基本原理
第二章生物芯片的基本原理§ 2.1 生物芯片的基本概念一般而言，我们所指的芯片是以硅晶体为材料制造的用来存储信息、进行科学计算等用途的半导体器件，如各种计算机芯片。
硅芯片是通过电路高低电平来表示逻辑1或逻辑0，不同的0，1组合可以代表自然界的一切信息，从而方便存储。
生物电子芯片与硅芯片有很大的相似之处。
20世纪70年代，人们发现脱氧核糖核酸（DNA, Deoxyribonucleic acid）处于不同的状态可以代表信息的存在或没有信息。
这一发现引起科学家们的极大兴趣，科学家们立即投身到生物电子元件这一研究领域[1]。
80年代初，国际上提出了“生物芯片”这一概念，形象地把微电子集成电路技术与生物活性分子功能结合，提出构建具有生物活性的能够获取存储信息并进行处理和传输的微生物构件（微功能单元），以达到仿生信息处理的目的。
在此基础上诞生了“分子电子学”。
90年代以来，在美国硅谷又兴起了研究和开发“生物芯片”的热潮[1][2]。
这一“生物芯片”的概念是指运用大规模集成电路的光刻技术以及生物分子的自组装技术，在一微小芯片上组装成千上万个不同生物分子（DNA，蛋白质，多肽，细胞等）微阵列，实现生物分子信息的快速、并行、大规模检测[1][3]。
芯片分析的实质是在面积不大的基片表面上有序地点阵排列了一系列固定于一定位置的可寻址的识别分子。
结合或反应在相同条件下进行。
反应结果用同位素、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[3][4][5]。
芯片分析实际上也是传感器分析的组合。
芯片点阵中的每一个单元微点都是一个传感器的探头[6]。
所以传感器技术的精髓往往都被应用于芯片的发展。
阵列检测可以大大提高检测效率，减少工作量，增加可比性。
所以芯片技术也是传感器技术的发展。
生物芯片的概念来自计算机芯片，但是到90年代初以后，在人类基因组计划的推动下，才得以迅速发展起来。
第八章 生物芯片技术
• 未来十年最具发展潜力的技术。
• 生物芯片的主要特点： – 高通量、微型化和自动化 • 常用的生物芯片的分类： – 基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片 及芯片实验室
特点
• 高度并行性：提高实验进程、利于 显示图谱的快速对照和阅读。 • 多样性：可进行样品的多方面分析， 提高精确性，减少误差。 • 微型化：减少试剂用量和反应液体 积，提高样品浓度和反应速率。 • 自动偶合器件，分为光电倍增管型和 CCD型。 • 根据激光光源，可分为激光型和非激光。 • 应用最为广泛的是激光光源的共聚焦扫描装置， 分辨率、灵敏度极高，有良好的定位功能，可定 量，应用广泛。
（2）、图象分析
• 复杂的杂交图谱一般需由图象分析软件来完成。 • 分析软件的功能：鉴定每个点阵、最大限度消 除本底荧光的干扰、解析多种颜色图象、可标 记或排除假阳性、识别和分析对照实验是否成 功、可将信号标准化等。 • 图象处理软件必须具备提取基因库和数据库的 能力。
（1）、cDNA微阵列的制备
A、在多聚赖氨酸包被的玻璃基片表面制备cDNA 微阵列（原理、基本程序、优缺点参见p414)。
B、用琼脂糖包被的玻璃基片制备cDNA微阵列。
C、 在氨基或醛基修饰的玻璃片基表面制备 cDNA微阵列。
（2）、寡核苷酸芯片的制备
A、氨基修饰的玻片与5‘末端带氨基的寡核苷酸 探针通过不同的接头连接。 空白玻片清洗干净，浸泡于含1%的3-氨基丙基 三甲氧硅烷的95%丙酮中2min ,用丙酮洗数次， 干燥，得到氨基修饰的玻片。 ①通过1，1-苯异二硫氰酸酯连接； ② 通过戊二醛连接； ③通过丁二酰亚氨基碳酸（DBC)、丁二酰亚氨 基草酸（DSO）或丁二酸酐连接。
B、硅烷化寡核苷酸直接点样于玻片上制成寡核 苷酸微阵列。该方法就是将寡核苷酸获cDNA经 硅烷化后直接点样于空白玻片上制成微阵列。 （该方法有其优点）
微阵列分析导论
本书共分为十六章，分届于三大部 分，第一部分为基础知识，包括概述、 微阵列基因芯片制备和检测技术以及统 计学基础；第二部分内容是数据处理方 法，包括实验设计、图像的获得和数据 的前处理、数据的须处理和归一化、差 异表达基因分析、芯片数据的可靠性分 析、聚类分析和可视化以及微阵列实验 中的分类方法；第三部分主要是与数据 挖掘和应用相关的内容，包括微阵列技 术的标难化、基因芯片数据的基因注释 和功能分析、系统生物学及基因调控网 络、基因芯片技术的应用——从基因筛 选到临床诊断、主要数据分析软件的介 绍和展望。
芯片打印仪
芯片杂交仪
芯片扫描仪
生物芯片技术简介
? 每个组织和细胞中包含各种生物大分子，如蛋白质、DNA 和RNA
，为了解生物大分子与生命现象的关系，需要研究生物中所有不同 种类蛋白质和核酸的功能，而传统检测方法一次只能检测一个生物 大分子，生物芯片技术提供了高通量检测生物大分子的方法。
? 生物芯片：把生物活性大分子（如蛋白质和核酸）或细胞等，密集 排列在固定的固相载体上，形成微型的检测器件，固相载体通常是 硅片、玻片、聚丙烯或尼龙膜等。
规则的阵列是指阵列上待分析的单元按照行和列的方式进行排列的集合 微阵列上的点按照行和列规则地排列而非无规则排列；点的大小和点间 距均一而非不均一；点的位置明确而非模棱两可。
微阵列定义
显微尺度的点
? 显微尺度（microscopic):是一个物体若没有显微镜的 帮助，不能清楚地被看见。一般以小于1mm 为界。
70%
大肠杆菌 大鼠 酵母 小鼠 人 线虫 果蝇 拟南芥
中国 芬兰 美国 日本 英国 德国 加拿大 法国 澳大利亚 瑞典
实验设计
每次微阵列分析实验应该包括阳性对照、阴性对照和