综述基因芯片技术、蛋白芯片技术的原理及应用。

综述基因芯片技术、蛋白芯片技术的原理及应用。

1.1 基因芯片是生物芯片技术中发展最成熟和最先实现商品化的产品。基因芯片是基于核酸探针互补杂交技术原理而研制的。所谓核酸探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接上一些可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。基因芯片，又称DNA芯片，DNA微阵列（DNAmicroar ray），和我们日常所说的计算机芯片非常相似，只不过高度集成的不是半导体管，而是成千上万的网格状密集排列的基因探针，通过已知碱基顺序的DNA片段，来结合碱基互补序列的单链DNA，从而确定相应的序列，通过这种方式来识别异常基因或其产物等。目前，比较成熟的产品有检测基因突变的基因芯片和检测细胞基因表达水平的基因表达谱芯片。基因芯片技术主要包括四个基本技术环节：芯片微阵列制备、样品制备、生物分子反应和信号的检测及分析。

目前制备芯片主要采用表面化学的方法或组合化学的方法来处理固相基质如玻璃片或硅片，然后使DNA片段或蛋白质分子按特定顺序排列在片基上。目前已有将近40万种不同的DNA分子放在1平方厘米的高密度基因芯片，并且正在制备包含上百万个DNA探针的人类基因芯片。生物样品的制备和处理是基因芯片技术的第二个重要环节。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进行反应。要将样品进行特定的生物处理，获取其中的蛋白质或DNA、RNA等信息分子并加以标记，以提高检测的灵敏度。第三步是生物分子与芯片进行反应。芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键一步。通过选择合适的反应条件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比率，从而获取最能反映生物本质的信号。基因芯片技术的最后一步就是芯片信号检测和分析。目前最常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中，通过采集各反应点的荧光强弱和荧光位置，经相关软件分析图像，即可以获得有关生物信息。

自从1992年Affymetrix公司首次合成第一块基因芯片诞生以来，在之后的十几年里该技术以其高通量、平行性、多样化、微型化、自动化的显著特点被广泛应用到了各个领域，展现出了巨大的发展前景。

1）在医学上的应用：

基因芯片的诞生为医学界提供了一个全新的平台。它不仅使实验室检测的高通量、高自动化、微量化得以实现，而且使临床上对一些疑难疾病的准确判断成为可能。例如，在毒理学方面，查找药物毒性或其副作用，尤其是慢性毒性的副作用，往往涉及基因表达的改变，而用芯片作表达研究可以节省大量的动物试验，使医生能够给个体的基因拍个“快照”，然后决定什么疗法更好，可以尽量避免使用有危害的药物；在药物筛选方面，可以通过芯片技术将药物的生物效应和基因变化联系起来。如Ducke大学人类基因组中心的Roses教授，用基因芯片技术鉴定了一种引起肌肉萎缩侧索硬化的基因，并鉴定了这种载体脂蛋白是引起该病的主要因子，这一新的药物靶点的发现，为新的药物设计提供了指导。

2）在免疫研究中应用：

免疫应答（如同种异体移植物的识别与排除）涉及许多基因的表达与调控，弄清它们变化机理是亟待解决的问题。目前基因芯片在该领域中的应用主要是在免疫细胞发育、成熟、活化、分化基应答的调控机制、变态反应的分子基础、免疫药理等方面，它加深了人们对免疫系统的认识，同时也可以从基因水平上对医药治疗免疫相关疾病机制的研究，从而建立起药物筛选的靶标。

3）在农业上的应用：

①作物基因组测序和发现新基因。继人类基因组计划以来，许多农作物的基因测序工作也都相继展开如水稻基因组计划、拟南芥基因测序等，基因芯片技术为大规模的测序提供了方便、快捷、准确的技术手段。同时，也可以利用该技术发现新基因，如构建cDNA文库，对野生型和突变体的植株进行杂交筛选，发现其差异表达序列后，从文库中找出相应的克隆，以判断它是否是新的基因。

②基因表达水平的检测。用基因芯片技术得到农作物不同环境条件下或不同发育时期基因表达的数据并进行分析，就可以找出基因型和表现型之间的关系，为大田实验提供依据。

③转基因产品的检测。对于转基因产品的安全问题目前还有较大的争论，但目前还没有通用的检测方法，而基因芯片技术可以快捷准确地对其检测。将目前通用的报告基因、抗性基因、启动子和终止子的特异片断制成检测芯片与待测产品的DNA进行杂交，就可以判断待测样品是否为转基因产品，其可靠性已被对大豆、玉米、油菜、棉花等农作物样品的检测结果所证实。另外，利用该技术也

可以筛选转基因所需要的目的基因。

④其它。如在病虫害检验、食品卫生监督等中也有广泛的应用。

4)在后基因组中的应用：

人类基因组计划的测序工作已经完成，现在已进入了后基因组时代，其研究的重点已从基因序列的测序转相了基因功能的测定，要想了解人类3-4万条基因的功能及它们之间的联系，传统的技术手段已不能满足需要了，这就必需依靠以基因芯片为先导的高新技术才能完成。

1.2蛋白芯片技术的基本原理是将各种蛋白质有序地固定于滴定板、滤膜和载玻片等各种载体上成为检测用的芯片, 然后, 用标记了特定荧光抗体的蛋白质或其他成分与芯片作用,经漂洗将未能与芯片上的蛋白质互补结合的成分洗去, 再利用荧光扫描仪或激光共聚焦扫描技术, 测定芯片上各点的荧光强度, 通过荧光强度分析蛋白质与蛋白质之间相互作用的关系, 由此达到测定各种蛋白质功能的目的。为了实现这个目的, 首先必须通过一定的方法将蛋白质固定于合适的载体上, 同时能够维持蛋白质的天然构象, 也就是必须防止其变性以维持其原有特定的生物学活性。另外, 由于生物细胞中蛋白质的多样性和功能的复杂性, 开发和建立具有多样品并行处理能力、能够进行快速分析的高通量蛋白芯片技术将有利于简化和加快蛋白质功能研究的进展。

蛋白芯片的快速发展,极大地促进蛋白诊断和蛋白质组学等方面的研究。如:利用蛋白芯片发现新的蛋白并且阐明其功能;寻找与疾病有关或直接引发疾病的新蛋白;在蛋白芯片上筛选与这些疾病蛋白有关的新药,发现新的药物靶标和生物标记物,这些都已成为当前蛋白研究的重点课题。而蛋白芯片的研究起着重要的作用。

1）免疫检测及酶活性测定

目前许多临床检验及环境毒物检测均是基于抗原、抗体反应进行的,如果将多种检测集中在一块芯片上进行,就会极大的提高检测效率、降低检测成本。Ewalt KL 等人首次利用“主动式”芯片进行葡萄球菌肠毒素B 及霍乱毒素B 的检测,证明利用这种芯片进行蛋白质检测具有许多优点,如检测所需时间少、整个分析所需样品少(10μL) 及不需要封闭等。

2）抗体筛选