基因芯片
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相关性、基因药物开发和合成或天然药物筛选等领域感兴趣， 都已建立了或正在建立自己的芯片设备和技术。 ➢ 目前全世界有几百家基因芯片公司，有多种生物芯片问世，而 且这些芯片的特点较以前密度更高，检测方法更精确，特异性 更强的特点。而主要仍以少数几家公司为主，如Affymetrix、 Brax、Hysep等。 ➢ 国内目前主要如清华大学（程京）、中科院生命科学院、上海 复旦大学、北京军事医学科学院、南京东南大学、西安等四十 余家公司，而且可能还有一大批公司相继成立。
➢ 另一类是短的寡核苷酸探针芯片 其探针长度为25 mer左右，一般通过在片（原位） 合成方法得到，这类芯片既可用于RNA的表达监 控，也可以用于核酸序列分析。
基因芯片的类型
一般基因芯片按其材质和功能，基本可分为以下几类
1. 元件型微阵列芯片 ① 生物电子芯片 ② 凝胶元件微阵列芯片 ③ 药物控释芯片
2. 通道型微阵列芯片 ① 毛细管电泳芯片 ② PCR扩增芯片 ③ 集成DNA分析芯片 ④ 毛细管电层析芯片
3. 生物传感芯片 ① 光学纤维阵列芯片 ② 白光干涉谱传感芯片
小鼠基因表达谱芯片(MGEC)
目前国内基因芯片常见品种.(上海博星公司)
癌症相关基因表达谱芯片(CRGEC)
目前国内基因芯片常见品种.(上海博星公司)
➢ 美国继开展人类基因组计划以后，于1998年正式启动基因芯片 计划，美国国立卫生部、能源部、商业部、司法部、国防部、 中央情报局等均参与了此项目。
➢ 同时斯坦福大学、麻省理工学院及部分国立实验室如Argonne Oakridge也参与了该项目的研究和开发。
➢ 英国剑桥大学、欧亚公司正在从事该领域的研究。 ➢ 世界大型制药公司尤其对基因芯片技术用于基因多态性、疾病
人类基因表达谱芯片(HGEC)
目前国内基因芯片常见品种.(上海博星公司)
6400点的基因芯片
（面积 12X14 mm)
3. 基因芯片的原理
核酸杂交技术 是基因芯片应用的基础。
基因芯片的基本原理
➢ 任何线状的单链DNA或RNA序列均可被分解为一个序列 固定、错落而重叠的寡核苷酸，又称亚序列 （subsequence）。例如可把寡核苷酸序列 TTAGCTCATATG分解成5个8 nt亚序列：
第五节 基因芯片技术及其应用
1 基因芯片的诞生
分子生物学的发展推动了基因的研究
五十年代DNA分子结构和半保留复制模型的建立， 六十年代基因编码的确定， 七十年代限定性内切酶的发现和DNA重组技术的建立， 八十年代PCR的发明， 九十年代人类基因组计划的实施。
生物科学正迅速地演变为一门信息科学。 我们正由结构基因组时代迈入功能基因组时代。随着这个功能 基因组学问题的提出（后基因组时代，蛋白组学），涌现出许 多功能强大的研究方法和研究工具，最突出的就是细胞蛋白质 二维凝胶电泳（2-D-gel）（及相应的质谱法测蛋白分子量）和 基因芯片（Genechip）技术
原理 -- 通过杂交检测信息
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
—TATGCAATCTAG
生物芯片的分类
➢ 根据用途还可以把生物芯片分为两类：信息生物芯片 （information-biochip）和功能生物芯片（functionbiochip）。
基因芯片
➢ 根据探针的类型和长度，基因芯片可分为两类。 ➢ 其中一类是较长的DNA探针（100mer）芯片
这类芯片的探针往往是PCR的产物，通过点样方 法将探针固定在芯片上，主要用于RNA的表达分 析。
➢ 这5个亚序列依次错开一个碱基而重叠7个碱基。 ➢ 亚序列中A、T、C、G 4个碱基自由组合而形成的所有可
能的序列共有65536种。 ➢ 假如只考虑完全互补的杂交，那么48个8 nt亚序列探针中，
仅有上述5个能同靶DNA杂交。 ➢ 可以用人工合成的已知序列的所有可能的n体寡核苷酸探
针与一个未知的荧光标记DNA/RNA序列杂交，通过对杂 交荧光信号检测，检出所有能与靶DNA杂交的寡核苷酸， 从而推出靶DNA中的所有8 nt亚序列，最后由计算机对大 量荧光信号的谱型（pattern）数据进行分析，重构靶 DNA 的互补寡核苷酸序列。
➢ 基因芯片（gene chip），又称DNA微阵列 （microarray），是由大量DNA或寡核苷酸探针密集排 列所形成的探针阵列，其工作的基本原理是通过杂交检测 信息。
生物芯片的分类
✓ 生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、组 织芯片。
✓ 而基因芯片中，最成功的是DNA芯片，即 将无数预先设计好的寡核苷酸或cDNA在芯 片上做成点阵，与样品中同源核酸分子杂 交的芯片。
查询生物分子数据库
取得相应的DNA序列数据
序列对比分析
找出特征序列，作为芯片设计的参照序列。
数据库搜索
• 得到关于序列突变的信息及其它信息。
➢ 在进行探针设计和布局时必须考虑以下 几个方面：
(1)互补性 (2)敏感性和特异性 (3)容错性 (4)可靠性 (5)可控性 (6)可读性
２、DNA变异检测型芯片与基因表达型 芯片的设计
基因芯片是信息时代的产物
横跨：
生命科学、 物理学、 计算机科学、微电子技术 光电技术、 材料科学
等现代高科技
2. 什么是基因芯片
➢ 生物芯片，将大量生物识别分子按预先设置的排列固定于 一种载体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面，利用生 物分子的特意性亲和反应，如核酸杂交反应，抗原抗体反 应等来分子各种生物分子存在的量的一种技术。
重组的互补序列
TATGCAATCTAG 靶序列
基因芯片
荧光标记的样品 共聚焦显微镜 获取荧光图象
杂交片设计
一、基因芯片设计的一般性原则 基因芯片设计主要包括两个方面: 1. 探针的设计
指如何选择芯片上的探针
2. 探针在芯片上的布局
指如何将探针排布在芯片上。
➢ 确定芯片所要检测的目标对象
➢ 另一类是短的寡核苷酸探针芯片 其探针长度为25 mer左右，一般通过在片（原位） 合成方法得到，这类芯片既可用于RNA的表达监 控，也可以用于核酸序列分析。
基因芯片的类型
一般基因芯片按其材质和功能，基本可分为以下几类
1. 元件型微阵列芯片 ① 生物电子芯片 ② 凝胶元件微阵列芯片 ③ 药物控释芯片
2. 通道型微阵列芯片 ① 毛细管电泳芯片 ② PCR扩增芯片 ③ 集成DNA分析芯片 ④ 毛细管电层析芯片
3. 生物传感芯片 ① 光学纤维阵列芯片 ② 白光干涉谱传感芯片
小鼠基因表达谱芯片(MGEC)
目前国内基因芯片常见品种.(上海博星公司)
癌症相关基因表达谱芯片(CRGEC)
目前国内基因芯片常见品种.(上海博星公司)
➢ 美国继开展人类基因组计划以后，于1998年正式启动基因芯片 计划，美国国立卫生部、能源部、商业部、司法部、国防部、 中央情报局等均参与了此项目。
➢ 同时斯坦福大学、麻省理工学院及部分国立实验室如Argonne Oakridge也参与了该项目的研究和开发。
➢ 英国剑桥大学、欧亚公司正在从事该领域的研究。 ➢ 世界大型制药公司尤其对基因芯片技术用于基因多态性、疾病
人类基因表达谱芯片(HGEC)
目前国内基因芯片常见品种.(上海博星公司)
6400点的基因芯片
（面积 12X14 mm)
3. 基因芯片的原理
核酸杂交技术 是基因芯片应用的基础。
基因芯片的基本原理
➢ 任何线状的单链DNA或RNA序列均可被分解为一个序列 固定、错落而重叠的寡核苷酸，又称亚序列 （subsequence）。例如可把寡核苷酸序列 TTAGCTCATATG分解成5个8 nt亚序列：
第五节 基因芯片技术及其应用
1 基因芯片的诞生
分子生物学的发展推动了基因的研究
五十年代DNA分子结构和半保留复制模型的建立， 六十年代基因编码的确定， 七十年代限定性内切酶的发现和DNA重组技术的建立， 八十年代PCR的发明， 九十年代人类基因组计划的实施。
生物科学正迅速地演变为一门信息科学。 我们正由结构基因组时代迈入功能基因组时代。随着这个功能 基因组学问题的提出（后基因组时代，蛋白组学），涌现出许 多功能强大的研究方法和研究工具，最突出的就是细胞蛋白质 二维凝胶电泳（2-D-gel）（及相应的质谱法测蛋白分子量）和 基因芯片（Genechip）技术
原理 -- 通过杂交检测信息
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
—TATGCAATCTAG
生物芯片的分类
➢ 根据用途还可以把生物芯片分为两类：信息生物芯片 （information-biochip）和功能生物芯片（functionbiochip）。
基因芯片
➢ 根据探针的类型和长度，基因芯片可分为两类。 ➢ 其中一类是较长的DNA探针（100mer）芯片
这类芯片的探针往往是PCR的产物，通过点样方 法将探针固定在芯片上，主要用于RNA的表达分 析。
➢ 这5个亚序列依次错开一个碱基而重叠7个碱基。 ➢ 亚序列中A、T、C、G 4个碱基自由组合而形成的所有可
能的序列共有65536种。 ➢ 假如只考虑完全互补的杂交，那么48个8 nt亚序列探针中，
仅有上述5个能同靶DNA杂交。 ➢ 可以用人工合成的已知序列的所有可能的n体寡核苷酸探
针与一个未知的荧光标记DNA/RNA序列杂交，通过对杂 交荧光信号检测，检出所有能与靶DNA杂交的寡核苷酸， 从而推出靶DNA中的所有8 nt亚序列，最后由计算机对大 量荧光信号的谱型（pattern）数据进行分析，重构靶 DNA 的互补寡核苷酸序列。
➢ 基因芯片（gene chip），又称DNA微阵列 （microarray），是由大量DNA或寡核苷酸探针密集排 列所形成的探针阵列，其工作的基本原理是通过杂交检测 信息。
生物芯片的分类
✓ 生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、组 织芯片。
✓ 而基因芯片中，最成功的是DNA芯片，即 将无数预先设计好的寡核苷酸或cDNA在芯 片上做成点阵，与样品中同源核酸分子杂 交的芯片。
查询生物分子数据库
取得相应的DNA序列数据
序列对比分析
找出特征序列，作为芯片设计的参照序列。
数据库搜索
• 得到关于序列突变的信息及其它信息。
➢ 在进行探针设计和布局时必须考虑以下 几个方面：
(1)互补性 (2)敏感性和特异性 (3)容错性 (4)可靠性 (5)可控性 (6)可读性
２、DNA变异检测型芯片与基因表达型 芯片的设计
基因芯片是信息时代的产物
横跨：
生命科学、 物理学、 计算机科学、微电子技术 光电技术、 材料科学
等现代高科技
2. 什么是基因芯片
➢ 生物芯片，将大量生物识别分子按预先设置的排列固定于 一种载体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面，利用生 物分子的特意性亲和反应，如核酸杂交反应，抗原抗体反 应等来分子各种生物分子存在的量的一种技术。
重组的互补序列
TATGCAATCTAG 靶序列
基因芯片
荧光标记的样品 共聚焦显微镜 获取荧光图象
杂交片设计
一、基因芯片设计的一般性原则 基因芯片设计主要包括两个方面: 1. 探针的设计
指如何选择芯片上的探针
2. 探针在芯片上的布局
指如何将探针排布在芯片上。
➢ 确定芯片所要检测的目标对象