基因芯片技术
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基因芯片技术
芯片实验室 （Lab-on-a-chip)
微流体芯片（微流控芯片）
（Microfluidic chip）
样品分离芯片
生物芯片（biochip)
• 微阵列芯片： 基因芯片（ DNA芯片） 蛋白质芯片 组织芯片 细胞芯片
• 微流体芯片（微流控芯片） 生物样品制备芯片 核酸扩增芯片 毛细管电泳芯片
基因芯片的分类
• 原位合成芯片
（In situ synthetic GeneChip）
Affymetrix公司
• DNA微阵列
（DNA microarray） 斯坦福大学
Patrick Brown研究小组
原位合成芯片
Synthetic Chips
显微光蚀刻
密度大于1000/cm2
寡聚核苷酸合成
合成DNA芯片
基因芯片的制备与检测原理
arrayer
microarray
Biological Sample
• Microarray fabrication • Sample preparation • Molecular hybridization • Detection and analysis
“Hybridize”
Denature
基本原理
Hybridize
Southern, Fish
基因芯片技术基本原理
• 基本原理：核酸分子杂交，即依据DNA 双链碱基互补配对、变性和复性的原理
• 大规模集成的固相杂交
以大量已知序列的寡核苷酸、 cDNA 或 基 因 片 段 作 探 针 ， 检 测 样品中哪些核酸序列与其互补， 然后通过定性、定量分析得出待 测样品的基因序列及表达的信息
杂交结果的聚类分析
表达谱聚类分析软件 Treeview
基因芯片技术主要步骤
基因芯片技术的特点
• 高通量 • 集成化 • 微型化
生物芯片的概念
• 生物芯片是指通过微电子、微加工技术在 平方厘米大小的固相介质表面构建的微型 分析系统，以实现对组织细胞中DNA、 蛋白质及其他生物组分的快速、高效、敏 感地处理与分析。
Research Integration
分子生物学
统计学
微电子学 计算机科学
物理学 化学……
二、基因芯片技术原理
Scanner
Analyze data
（一）芯片的制备
1. 探针的设计与制备 2. 支持物的选择与处理 3. 芯片的制作
（1）原位合成芯片的制作 （2）DNA微阵列的制作
1. 探针的设计与制备
• cDNA探针 100 + bp
• 寡核苷酸（Oligo）探针 8 - 12 nt 20-30 nt 50-70 nt
AGC T Oligo probes
or
芯片的制备
arrayer
Gene probes （cDNA、DNA）
substrate
Ready-to-use microarray
DNA芯片图解
Microarray: top view
Microarray: side view
Probes Adhesion layer Substrate
x ~12,000
基因芯片与传统杂交技术比较
传统杂交方法 手工 固定样品 标记探针 单个探针 费时、1-2周 费力、需同位素 不易自动化
基因芯片技术 可批量 固定探针 标记样品 大量探针 快速、平行化 荧光标记 易于自动化
（四）检测分析
Laser 1 Laser 2
芯片的扫描
Detector 1
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
（二）样品的准备
• 样品核酸的分离纯化
• 样品核酸的扩增、标记：
反转录标记 随机引物延伸标记 PCR标记
基因表达谱双色标记
Sample cells
1) 2)
Labeled RNA or DNA (Sample )
3)
1) Extract RNA or DNA 2) RT or PCR amplification 3) Fluorescent labeling
Detector 2
Scanner
图像处理
Detector 1
Detector 2
False-color differential image
图像分析
(1) find spots (2) quantitate spot intensities
图像分析
（3）calculate ratios
[cy3] [cy5]
基因芯片技术的概念
指在固相支持物上原位合成寡核苷酸或者直接将 大量基因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）
由于在制备过程中运用了计算机芯片的制备技术 如显微光蚀刻、显微打印等，且常用硅芯片作为固相 支持物，所以称为基因芯片技术
combine
1) 2)
Reference cells
3)
Sample ready
Labeled RNA or DNA (Reference)
样品的标记
• 标记方法：
反转录标记 随机引物延伸法 PCR
样品的标记
• 标记分子：
放射性同位素 生物素 荧光分子：
Cy3、Cy5 FITC、TRITC
（三）分子杂交
Apply sample
1) hybridize 2) rinse
Hybridization
BB
Βιβλιοθήκη Baidu
B B
B
B B
The labeled target is selectively bound to complementary probes
Note: know the location of each probe on the array
*
Affymex Inc.
*
Affymetrix Inc.
DNA微阵列
Stanford Univ. Patrick Brown
显微打印头
单链DNA/cDNA片段 Microarray Printing
DNA微集芯片
DNA微集芯片
DNA:
double helix structure
denaturation renaturation
芯片实验室 （Lab-on-a-chip)
微流体芯片（微流控芯片）
（Microfluidic chip）
样品分离芯片
生物芯片（biochip)
• 微阵列芯片： 基因芯片（ DNA芯片） 蛋白质芯片 组织芯片 细胞芯片
• 微流体芯片（微流控芯片） 生物样品制备芯片 核酸扩增芯片 毛细管电泳芯片
基因芯片的分类
• 原位合成芯片
（In situ synthetic GeneChip）
Affymetrix公司
• DNA微阵列
（DNA microarray） 斯坦福大学
Patrick Brown研究小组
原位合成芯片
Synthetic Chips
显微光蚀刻
密度大于1000/cm2
寡聚核苷酸合成
合成DNA芯片
基因芯片的制备与检测原理
arrayer
microarray
Biological Sample
• Microarray fabrication • Sample preparation • Molecular hybridization • Detection and analysis
“Hybridize”
Denature
基本原理
Hybridize
Southern, Fish
基因芯片技术基本原理
• 基本原理：核酸分子杂交，即依据DNA 双链碱基互补配对、变性和复性的原理
• 大规模集成的固相杂交
以大量已知序列的寡核苷酸、 cDNA 或 基 因 片 段 作 探 针 ， 检 测 样品中哪些核酸序列与其互补， 然后通过定性、定量分析得出待 测样品的基因序列及表达的信息
杂交结果的聚类分析
表达谱聚类分析软件 Treeview
基因芯片技术主要步骤
基因芯片技术的特点
• 高通量 • 集成化 • 微型化
生物芯片的概念
• 生物芯片是指通过微电子、微加工技术在 平方厘米大小的固相介质表面构建的微型 分析系统，以实现对组织细胞中DNA、 蛋白质及其他生物组分的快速、高效、敏 感地处理与分析。
Research Integration
分子生物学
统计学
微电子学 计算机科学
物理学 化学……
二、基因芯片技术原理
Scanner
Analyze data
（一）芯片的制备
1. 探针的设计与制备 2. 支持物的选择与处理 3. 芯片的制作
（1）原位合成芯片的制作 （2）DNA微阵列的制作
1. 探针的设计与制备
• cDNA探针 100 + bp
• 寡核苷酸（Oligo）探针 8 - 12 nt 20-30 nt 50-70 nt
AGC T Oligo probes
or
芯片的制备
arrayer
Gene probes （cDNA、DNA）
substrate
Ready-to-use microarray
DNA芯片图解
Microarray: top view
Microarray: side view
Probes Adhesion layer Substrate
x ~12,000
基因芯片与传统杂交技术比较
传统杂交方法 手工 固定样品 标记探针 单个探针 费时、1-2周 费力、需同位素 不易自动化
基因芯片技术 可批量 固定探针 标记样品 大量探针 快速、平行化 荧光标记 易于自动化
（四）检测分析
Laser 1 Laser 2
芯片的扫描
Detector 1
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
（二）样品的准备
• 样品核酸的分离纯化
• 样品核酸的扩增、标记：
反转录标记 随机引物延伸标记 PCR标记
基因表达谱双色标记
Sample cells
1) 2)
Labeled RNA or DNA (Sample )
3)
1) Extract RNA or DNA 2) RT or PCR amplification 3) Fluorescent labeling
Detector 2
Scanner
图像处理
Detector 1
Detector 2
False-color differential image
图像分析
(1) find spots (2) quantitate spot intensities
图像分析
（3）calculate ratios
[cy3] [cy5]
基因芯片技术的概念
指在固相支持物上原位合成寡核苷酸或者直接将 大量基因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）
由于在制备过程中运用了计算机芯片的制备技术 如显微光蚀刻、显微打印等，且常用硅芯片作为固相 支持物，所以称为基因芯片技术
combine
1) 2)
Reference cells
3)
Sample ready
Labeled RNA or DNA (Reference)
样品的标记
• 标记方法：
反转录标记 随机引物延伸法 PCR
样品的标记
• 标记分子：
放射性同位素 生物素 荧光分子：
Cy3、Cy5 FITC、TRITC
（三）分子杂交
Apply sample
1) hybridize 2) rinse
Hybridization
BB
Βιβλιοθήκη Baidu
B B
B
B B
The labeled target is selectively bound to complementary probes
Note: know the location of each probe on the array
*
Affymex Inc.
*
Affymetrix Inc.
DNA微阵列
Stanford Univ. Patrick Brown
显微打印头
单链DNA/cDNA片段 Microarray Printing
DNA微集芯片
DNA微集芯片
DNA:
double helix structure
denaturation renaturation