基因芯片及其数据分析
基因芯片检测流程
基因芯片检测流程基因芯片检测是一种高通量的基因分析技术，可以同时检测大量基因的表达水平或基因组的变异情况。
该技术的流程主要包括样本准备、芯片处理、数据分析和结果解读等步骤。
首先，样本准备是基因芯片检测的关键步骤。
样本可以是组织、细胞、血液等。
首先，需要提取样本中的总RNA，然后利用逆转录酶将RNA转录成cDNA，并标记上荧光染料。
这一步骤可以通过不同的实验方法进行，如全基因组扩增、dscDNA合成等。
随后，将标记好的cDNA与芯片上的探针进行杂交反应。
其次，芯片处理是对标记好的cDNA进行杂交的步骤。
将标记好的cDNA溶液滴在芯片上，并利用温度控制设备进行加热、冷却等环境控制，促进标记物与芯片上的探针结合。
芯片上的探针可以是单链DNA、RNA或寡核苷酸等，可以选择特定的探针来检测特定基因。
然后，进行数据分析是基因芯片检测的重要步骤。
通过激光扫描芯片上的标记物，可以获取荧光强度信号。
这些信号表示了样本特定基因的表达水平。
通过对比不同样本之间的信号差异，可以分析某个基因在不同样本中的表达差异。
数据分析可以使用各种统计学方法和生物信息学工具进行，常用的包括聚类分析、差异表达分析、富集分析等。
最后，基因芯片检测的结果解读是整个流程的最终目标。
数据分析得到了许多的基因表达信息和差异表达基因，需要对这些数据进行解读和分析。
通过比对已有的数据库和研究结果，可以找出与特定疾病或生理过程相关的重要基因。
进一步的实验验证可以进一步证实芯片分析结果的可靠性。
综上所述，基因芯片检测流程是一个复杂且关键的分子生物学技术。
通过样本准备、芯片处理、数据分析和结果解读等步骤，可以对大量基因进行快速、高通量的检测和分析。
基因芯片检测在疾病诊断、生物学研究等领域具有重要的应用价值。
基因芯片的数据分析
基因表达谱芯片的数据分析基因芯片数据分析就是对从基因芯片高密度杂交点阵图中提取的杂交点荧光强度信号进行的定量分析，通过有效数据的筛选和相关基因表达谱的聚类，最终整合杂交点的生物学信息，发现基因的表达谱与功能可能存在的联系。
然而每次实验都产生海量数据，如何解读芯片上成千上万个基因点的杂交信息，将无机的信息数据与有机的生命活动联系起来，阐释生命特征和规律以及基因的功能，是生物信息学研究的重要课题[1]。
基因芯片的数据分析方法从机器学习的角度可分为监督分析和非监督分析，假如分类还没有形成，非监督分析和聚类方法是恰当的分析方法；假如分类已经存在，则监督分析和判别方法就比非监督分析和聚类方法更有效率。
根据研究目的的不同[2,3]，我们对基因芯片数据分析方法分类如下。
（1）差异基因表达分析：基因芯片可用于监测基因在不同组织样品中的表达差异，例如在正常细胞和肿瘤细胞中；（2）聚类分析：分析基因或样本之间的相互关系，使用的统计方法主要是聚类分析；（3）判别分析：以某些在不同样品中表达差异显著的基因作为模版，通过判别分析就可建立有效的疾病诊断方法。
1 差异基因表达分析(difference expression, DE)对于使用参照实验设计进行的重复实验，可以对2样本的基因表达数据进行差异基因表达分析，具体方法包括倍数分析、t检验、方差分析等。
1.1倍数变化(fold change, FC)倍数分析是最早应用于基因芯片数据分析的方法[4]，该方法是通过对基因芯片的ratio值从大到小排序，ratio 是cy3/cy5的比值，又称R/G值。
一般0.5-2.0范围内的基因不存在显著表达差异，该范围之外则认为基因的表达出现显著改变。
由于实验条件的不同，此阈值范围会根据可信区间应有所调整[5,6]。
处理后得到的信息再根据不同要求以各种形式输出，如柱形图、饼形图、点图等。
该方法的优点是需要的芯片少，节约研究成本；缺点是结论过于简单，很难发现更高层次功能的线索；除了有非常显著的倍数变化的基因外，其它变化小的基因的可靠性就值得怀疑了；这种方法对于预实验或实验初筛是可行的[7]。
第十章基因芯片微阵列数据库
Agilent等芯片采用双荧光标记法检测和数据分 析。双荧光标记杂交技术中，两种不同样品的mRNA 被用不同的荧光标记。标记产物与芯片上的DNA探针
杂交后，在不同的激发波长和发射波长检测后，通过
激光共聚焦荧光扫描检测杂交信号。同一探针上的两
种不同荧光信号的相对强度被用于推算相应靶基因在
两种不同样品中的相对表达量。两个样品中通常一个 是对照样品，一个是待测样品。如果不同的芯片使用 相同对照样品，则不同芯片上的待测样品中基因表达 的水平也可被比较。
第十章 基因芯片微阵列数据库
基因芯片是所有生物芯片的佼佼者。其芯片制 作技术、数据分析方法及在各种生命科学领域内的 应用均遥遥领先于其他类型的生物芯片。
第一节 常用基因芯片及其数据库
一、Affymetrix芯片
Affymetrix基因芯片系同类产品的首创，
为最受欢迎的基因芯片之一，在生物各领域
应用广泛。
因芯片数据包括四项：
1、探针组代号。Affymetrix给每个探针组独特代号。
一般探针组代号与靶基因一一对应，但有例外。
2、表达值。经由MA55处理后得到的探针组表达值，
相当于靶基因表达值。
3、表达值预测。有三字母分别代表表达值是否真的存
在：P代表存在，A代表不存在，M代表介于两者之间。
基因表达的存在与否由统计学经分析探针组中每根探
芯片上的25核苷酸探针通过一种基于光刻合成 及组合化学的独特工艺直接在芯片上合成。芯 片设计的核心技术是探针对的使用：每一根匹 配探针（PM）均有一根相应的错误探针（MM） 与其相匹配。两个探针间的唯一区别在于第13 个核苷酸。PM的该位置核苷酸可同其靶基因完 全互补，MM则相反。这种设计利于对非特异杂 交作出修正。每一靶基因都有相应的多组探针 对。
生物信息学讲义——基因芯片数据分析
生物信息学讲义——基因芯片数据分析生物信息学是指运用计算机技术和统计学方法来解析和理解生物领域的大规模生物数据的学科。
基因芯片数据分析是生物信息学研究的一个重要方向，通过对基因芯片数据进行分析，可以揭示基因在生物过程中的功能和调节机制。
本讲义将介绍基因芯片数据的分析方法和应用。
一、基因芯片数据的获取与处理基因芯片是一种用于检测和测量基因表达水平的高通量技术，可以同时检测上千个基因的表达情况。
获取基因芯片数据的第一步是进行基因芯片实验，如DNA芯片实验或RNA芯片实验。
实验得到的数据一般为原始强度值或信号强度值。
接下来，需要对这些原始数据进行预处理，包括背景校正、归一化和过滤噪声等步骤，以消除实验误差和提高数据质量。
二、基因表达分析基因芯片数据的最主要应用之一是进行基因表达分析。
基因表达分析可以揭示在不同条件下基因的表达模式和差异表达基因。
常用的基因表达分析方法包括差异表达分析、聚类分析和差异共表达网络分析等。
差异表达分析常用来寻找在不同条件下表达差异显著的基因，如差异表达基因的筛选和注释；聚类分析可以将表达模式相似的基因分为一组，如聚类分析可以将不同样本中的基因按照表达模式进行分类；差异共表达网络分析可以找到一组在差异表达样本中共同表达的基因，揭示潜在的功能模块。
三、功能富集分析对差异表达基因进行功能富集分析可以帮助我们理解这些基因的生物学功能和参与的生物过程。
功能富集分析可以通过对差异表达基因进行GO(Gene Ontology)注释，找到在特定条件下富集的生物学过程、分子功能和细胞组分等。
另外，功能富集分析还可以进行KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)富集分析，找到差异表达基因在代谢通路和信号传导通路中的富集情况。
四、基因调控网络分析基因调控网络分析可以帮助我们揭示基因间的调控关系和寻找关键调控基因。
基因调控网络是基于差异表达数据构建的，它可以包括转录因子-靶基因调控网络和miRNA-mRNA调控网络等。
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。
基因芯片的原理和临床应用
基因芯片的原理和临床应用1. 引言基因芯片是一种用于检测和分析大量基因表达的工具，它在基因组学研究和临床诊断中起着重要的作用。
本文将介绍基因芯片的原理和其在临床应用中的重要性。
2. 基因芯片的原理基因芯片是一种微型实验室，在一个非常小的芯片上集成了数千到数百万个基因探针。
基因探针是一种能够与特定基因或RNA分子结合的DNA片段或RNA片段。
基因芯片通过检测这些基因探针与样本中的基因或RNA分子的结合程度，来确定基因表达水平的高低。
基因芯片通常包括两个主要部分：探针和样本。
探针是在芯片上固定的DNA或RNA片段，用于特异性识别样本中的基因或RNA分子。
样本是待检测的基因或RNA样品。
当样本与探针结合时，基因芯片可以精确地测量探针与样本中目标基因或RNA的结合程度。
这种结合程度的强弱可以反映基因的表达水平。
3. 基因芯片的工作流程基因芯片的工作流程可以分为以下几个步骤：3.1 采集样本首先，需要采集待检测的样本，样本可以是组织、血液、唾液等。
采集样本的同时，需要记录样本的相关信息，如年龄、性别、病史等。
3.2 样本预处理为了准确地检测基因表达水平，需要对样本进行预处理。
预处理包括样本的RNA或DNA提取、质量检测、纯化等步骤。
这些预处理步骤可以确保样本中的基因或RNA分子的完整性和纯度。
3.3 杂交反应杂交反应是基因芯片最关键的步骤之一。
在这一步骤中，样本中的RNA或DNA与芯片上的探针发生特异性结合。
这种结合通常发生在高温下，并伴随着一系列的洗涤步骤，以去除非特异性结合的分子。
3.4 荧光染色为了检测探针与样本中基因或RNA分子的结合程度，常常在芯片上采用荧光标记的方法。
荧光染料会与结合的探针形成复合物，并在芯片上产生荧光信号。
3.5 数据分析基因芯片的数据分析是整个基因芯片实验中最关键的一步。
数据分析包括信号强度的计算、背景噪声的去除、数据归一化等步骤。
通过这些步骤，可以生成基因表达矩阵，用于后续的数据挖掘和生物信息学分析。
基因芯片的操作流程及步骤
基因芯片的操作流程及步骤基因芯片是一种用于检测和分析基因表达的高通量技术。
它能够同时检测上万个基因，在生物医学研究、生物工程和临床诊断等领域具有重要的应用价值。
基因芯片的操作流程主要包括前处理、杂交、显像和数据分析等步骤。
下面是详细的操作流程及各步骤的介绍。
1.前处理：a.提取RNA：从细胞或组织中提取总RNA，可以使用常规的酚/氯仿法或者商业化的RNA提取试剂盒等方法。
b.反转录：使用反转录酶将RNA逆转录成cDNA，以便进一步扩增和检测。
这一步骤可以使用随机引物或专用的引物结合反转录酶进行。
2.样品标记：a.样品标记：将cDNA样品标记为荧光基团，例如使用荧光染料dCTP 或其他标记物。
b.去除杂交物：通过水解或其他方法去除未反应的标记试剂，并纯化标记后的cDNA样品。
3.制备探针：a.设计探针：选择适当的探针序列，通常是与待检测基因的特定片段互补的DNA片段，用于检测基因表达。
b.生产探针：使用DNA合成技术或PCR等方法合成大量的探针，通常是固定在玻片上的寡核苷酸序列。
4.杂交：a.样品混合：将标记后的cDNA样品与探针混合，可以加入包含缓冲液、杂交解聚剂等的杂交液。
b.杂交反应：在恒温条件下，将混合物进行杂交反应，使探针与标记的cDNA靶标发生互补反应，形成探针-靶标复合物。
5.洗涤：a.洗涤：使用一系列含有不同浓度盐或洗涤缓冲液的溶液，去除没有结合的或非特异结合的探针-靶标复合物。
b.除去二级结构和非特异结合：使用高盐浓度的洗涤缓冲液或其他特定条件洗涤，去除可能形成的非特异结合和二级结构。
6.显像：a.扫描：使用光学设备测量芯片上的荧光强度，将探针-靶标复合物的检测结果转化为数字信号。
b.校准：对每个荧光信号进行校准，以消除技术偏差和背景噪声。
7.数据分析：a.数据提取：将荧光强度数据转化为基因表达的相对量，通常是使用专门的数据分析软件进行。
b.统计分析：使用统计学方法对基因表达数据进行分析，包括聚类分析、差异表达分析和信号通路分析等。
基因芯片数据处理流程与分析介绍
基因芯片数据处理流程与分析介绍关键词：基因芯片数据处理当人类基因体定序计划的重要里程碑完成之后，生命科学正式迈入了一个后基因体时代，基因芯片(microarray)的出现让研究人员得以宏观的视野来探讨分子机转。
不过分析是相当复杂的学问，正因为基因芯片成千上万的信息使得分析数据量庞大，更需要应用到生物统计与生物信息相关软件的协助。
要取得一完整的数据结果，除了前端的实验设计与操作的无暇外，如何以精确的分析取得可信数据，运筹帷幄于方寸之间，更是画龙点睛的关键。
基因芯片的应用基因芯片可以同时针对生物体内数以千计的基因进行表现量分析，对于科学研究者而言，不论是细胞的生命周期、生化调控路径、蛋白质交互作用关系等等研究，或是药物研发中对于药物作用目标基因的筛选，到临床的疾病诊断预测，都为基因芯片可以发挥功用的范畴。
基因表现图谱抓取了时间点当下所有的动态基因表现情形，将所有的探针所代表的基因与荧光强度转换成基本数据(raw data)后，仿如尚未解密前的达文西密码，隐藏的奥秘由丝丝的线索串联绵延，有待专家抽丝剥茧，如剥洋葱般从外而内层层解析出数千数万数据下的隐晦含义。
要获得有意义的分析结果，恐怕不能如泼墨画般洒脱随兴所致。
从raw data取得后，需要一连贯的分析流程(图一)，经过许多统计方法，才能条清理明的将raw data整理出一初步的分析数据，当处理到取得实验组除以对照组的对数值后(Iog2 ratio)，大约完成初步的统计工作，可进展到下一步的进阶分析阶段。
Rosetta profile error model calculation2Sqweeze replicated probes^Normalize intensities (exclude flagged ^nd wontroldata) with median scaling"Basic statistic plot and Pearson correlationcoefficient^Combine tech nicar repeatPairwise ratid calculation图一、整体分析流程。
芯片数据分析
单因素多组数据统计分析
目的：只考虑一种影响因素，筛选两组以上样品 之间的差异基因。 要求：一个影响因素下的多组数据，每组数据3 个以上生物学重复。 Cy3通道信号和Cy5通道信号在常规实验设计中 不能独立分开作为两组单通道信号值进行数据分 析。
多因素数据统计分析
目的：根据一个以上不同的条件综合评判，筛选 多个条件对于两组样品造成的差异基因。
1. 图像分析
芯片分析的第一步是将芯片扫描得到的杂交信号 转化为原始的代表信号强度的数据 激光扫描仪（Scaner）得到的Cy3/Cy5图像文件 通过划格（Griding），确定杂交点范围，过滤背 景噪音，提取得到基因表达的荧光信号强度值， 最后以列表形式输出
目前可用于这一步分析工作的软件有Quantarray、 Genpix、ChipReader和ScanAlyze等
要求：多个影响因素下的2组数据，每组数据3个 以上生物学重复。
Cy3通道信号和Cy5通道信号在常规实验设计中 不能独立分开作为两组单通道信号值进行数据分 析。
SAM 分析
目的：SAM（Significant Analysis of Microarray） 分析方法是在多组实验中寻找具有差异表达的基 因。 要求：每组3个以上生物学重复。 Cy3通道信号和Cy5通道信号在常规实验设计中 不能独立分开作为两组单通道信号值进行数据分 析。
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。 Normalization正是基于此种目的。
Normalization的方法有很多种，包括中值法、总 体信号强度法以及指定使用芯片上的某些点来对 数据做标准化
基因芯片和基因表达谱分析
基因芯片和基因表达谱分析在人类基因测序技术不断发展的背景下，基因芯片和基因表达谱成为了研究生物学和医学领域的重要工具。
本文将重点探讨基因芯片和基因表达谱分析的原理、应用以及未来发展方向。
一、基因芯片基因芯片（Gene chip）又称为微阵列芯片（microarray）是一种将数万个DNA序列可控地捕捉在一个硅片上的生物技术产品。
其原理基于同位素标签法和荧光标记法，用来研究生物大分子（包括DNA、RNA和蛋白质）在细胞周期、转录和翻译等生物活动过程中的表达差异和变化规律。
基因芯片的操作过程分为如下几步：1. DNA序列打印和固定。
通过免疫印刷技术，将已知的DNA序列按照一定的规则打印到芯片上，并使用化学方法将其固定在芯片上，作为反应体系中的探针。
2. 样品准备和反应。
将待测样品中的RNA提取、反转录成cDNA，再将其标记为荧光分子，加入到含有探针的芯片反应体系中。
其中，标记为红色和绿色的荧光分子分别代表着样品RNA在两种不同条件下的表达水平。
3. 芯片扫描和数据统计。
将芯片送入扫描仪中扫描，获得荧光信号强度。
通过芯片上探针的位置、荧光信号的强度以及探针序列的注释信息等，对数据进行分析和解读，得到各种基因的表达信息。
基因芯片在各个领域有着广泛的应用。
在医学领域，它可以用于疾病诊断、治疗效果预测、药物靶点筛选等方面的研究。
在生物学研究中，它可以分析基因调控、遗传变异和发育过程等生物学领域的课题。
二、基因表达谱分析基因表达谱分析是以生物体内mRNA的转录活性水平为信号，分析在不同条件下各种基因的表达水平差异。
常见的基因表达谱分析方法有RT-qPCR、Northern blot、Western blot、RNA-seq等。
其中，RT-qPCR方法是一种基于荧光信号检测的技术，可以非常精确地检测出RNA的拷贝数。
其操作过程分为三步：反转录、定量PCR和数据分析。
反转录过程中，RNA被逆转录酶逆转录成DNA。
基因芯片数据分析中的标准化算法和聚类算法
基因芯片数据分析中的标准化算法和聚类算法北京大学生命科学院 生物信息专业王向峰 学号：10211058摘要：基因芯片技术已经广泛的应用于各种模式生物的功能基因组的研究中，应用芯片技术可以高效，高通量的检测基因表达行为。
芯片数据分析中的标准化主要分为芯片内标准化和芯片间标准化，芯片内标准化根据目的不同可分为消除染色偏差的Lowess Normalization ，消除点样针头引起的空间差异的Print-tip Normalization 。
常用的芯片间标准化有Quantile Normalization ，Global Normalization 。
芯片数据分析中常见的聚类算法有分层聚类(Hierarchical clustering)、K 均值聚类(K-means clustering)、自组织图谱SOM (self organizing map)、PCA (principle component analysis)等等。
所有的聚类方法归结为有监督的学习和无监督的学习两种方法。
第一部分 基因芯片的数据标准化(Normalization)对基因芯片数据的标准化处理，主要目的是消除由于实验技术所导致的表达量(Intensity)的变化，并且使各个样本(sample)和平行实验的数据处于相同的水平，从而使我们可以得到具有生物学意义的基因表达量的变化。
标准化的方法根据芯片的种类、数据处理的阶段和目的不同而有所差异。
这里主要讨论一下双荧光染色(Red and Green Chip)的cDNA 微列阵(cDNA microarray)的标准化方法。
一、实验数据的预处理（data transformation ）双色cDNA 芯片(two-color cDNA microarray),指对参照基因(reference gene)和样本基 因(sample gene)标上绿色和红色荧光标记。
参照基因的制备主要是提取不同组织的不同时期的细胞进行培养(Cultured Cell)，以保证绝大部分的基因可以表达。
基因芯片资料
02 基因芯片技术的发展
• 2000年代，基因芯片技术得到广泛应用，如基因组测序、 基因表达谱分析等 • 基因芯片技术不断改进，如高密度基因芯片、多位点基 因芯片等
基因芯片技术的分类与比较
基因芯片技术的分类
• 根据基因探针的密度，可分为低密度基因芯片和高密度基因芯片 • 根据基因探针的类型，可分为DNA芯片和RNA芯片
基因芯片技术的比较
• 低密度基因芯片与高密度基因芯片：低密度基因芯片适用于初步筛选，高密度基因 芯片适用于深入研究 • DNA芯片与RNA芯片：DNA芯片主要用于检测基因序列，RNA芯片主要用于检测 基因表达
基因芯片在疾病诊断与预后评估中的应用
疾病诊断的定义
• 疾病诊断是指通过医学方法，对患者的疾病进行诊断和 鉴别诊断
基因芯片在疾病诊断与预后评估中的应用
• 通过基因芯片技术，可以高通量地检测基因的表达水平， 揭示疾病的发病机制和预后 • 基因芯片技术在疾病诊断与预后评估中的应用，如疾病 诊断模型建立、疾病预后评估等
基因芯片在基因功能研究中的应用
基因功能的定义
• 基因功能是指基因在生物体内的生物学功能，如基因编 码蛋白质、基因参与信号传导等
基因芯片在基因功能研究中的应用
• 通过基因芯片技术，可以高通量地检测基因的表达水平， 揭示基因的功能和相互作用 • 基因芯片技术在基因功能研究中的应用，如基因功能注 释、基因互作网络研究等
基因芯片在基因组变异检测中的应用
基因组变异的定义
• 基因组变异是指基因组在结构和数量上的变异，如基因 突变、基因拷贝数变异等
基因表达芯片数据的预处理和分析
基因表达芯片数据的预处理和分析基因表达芯片是一种目前广泛应用于生物医学研究中的技术，它可以帮助研究人员在分子水平上对细胞、组织、器官及其疾病发生机制进行深入研究，从而为疾病的诊断、治疗和药物研发等领域提供有力的支持。
基因表达芯片所涉及的数据处理步骤较多，其中预处理和分析是其中最为基础和关键的两个环节。
本文将从这两个方面详细阐述基因表达芯片数据的预处理和分析。
一、基因表达芯片数据的预处理预处理部分主要包括质量控制、数据归一化和拼接等步骤。
具体介绍如下：1、质量控制质量控制是基因表达芯片数据预处理中非常重要的一步，它的目的是检查芯片实验结果的质量。
通过质量控制可以发现数据中的异常现象，包括低质量的样品、芯片实验中的坏控制等。
一旦发现问题，需要对其进行相应的策略处理，以确保测量结果的正确性和准确性。
2、数据归一化数据归一化是指将不同富集度的探测物本底进行标准化处理，以能够在同一芯片上比较不同样品的水平。
目前普遍使用的归一化方法有MAS5、RMA、GCRMA 和Ebtiseh等。
其中MAS5方法独立于信号内容以及噪声分布，不需要对数据做任何假设。
RMA方法适用于多共同贡献的基因表达的依赖性模型。
GCRMA方法基于模型的切断比值方法，可以有效消除芯片噪声的影响。
Ebtiseh方法可以充分利用芯片的信息，并通过最佳阈值确定最佳归一化方案。
3、拼接拼接是指将一组芯片测量数据进行合并，形成一个较大的数据矩阵。
拼接的目的是将不同个体、不同时间点的基因表达芯片测量结果进行统一处理，为后续的差异分析和数据挖掘提供支持。
二、基因表达芯片数据的分析基因表达芯片数据分析主要包括差异分析、功能分析和网络分析等步骤。
具体介绍如下：1、差异分析差异分析是指比较两组或多组样品之间的基因表达水平差异。
差异分析的主要方法有t检验、方差分析、多重比较法、基因表达芯片的类别分析以及机器学习算法。
通过差异分析可以找到与疾病有关的不同表达基因。
基因芯片数据分析
第三步：模型评估
第7次课 基因芯片数据分析
研究现状与最新进展
内容提要
1. 数据预处理 2. 寻找差异基因 3. 聚类分析 4. 分类分析 5. 通路与功能分析 6. 基因调控网络构建
1. 数据预处理
校正前后的芯片MA散点图
2. 寻找差异基因
根据p值和变化倍数确定差异表达基因
3. 聚类分析
目的: 基于相似性或者差异程度，对基因/样品进行划分， 每一个分组称为一个“cluster” 划分多少组：生物学背景，用户定义
自组织映射神经网络
优点是自动提取样本数据中的信息，是一种全局 的决策方法，能避免陷入局部最小。具有更稳健 更准确的特点，对噪声稳定，一般不依赖于数据 分布的形状。
缺点在于必须实现人为设定类的数目与学习参数， 而且学习时间较长
(四)双向聚类
双向聚类：识别基 因表达谱矩阵中同 质的子矩阵，运用 特定的基因子类识 别样本子类。
层次聚类方法
目前运用在芯片数据分析中最多的聚类方法， 得到类似于进化分析的系统树图。
其主要思想是先计算n个样本类间的距离，再 将相似性最高的两类合并为一个新类，得到n1类的矩阵，不断重复这个过程直至所有的基 因融合成为一个大类。
层次聚类
乳腺癌亚型分类研究
乳腺癌亚型：根据浸润性乳腺癌基因表达情况分类 采用层次聚类法
基因芯片聚类分析举例
例1. 酵母新陈代谢的时序基因芯片数据分析 例2. 芯片数据的基因本体富集性分析
聚类方法的问题
问题：下面的情况有用吗？
距离度量问题：怎样定义？ 更复杂的方法： manifold clustering
5. 芯片数据的分类分析
线性判别分析(LDA)：找边界 K临近(KNN)：和“朋友”保持一致 机器学习方法:
基因芯片数据格式和预处理
基因芯片（Gene Chip）数据通常以特定的格式存储，常见的基因芯片数据格式包括：
1. Affymetrix CEL 文件：CEL 文件是Affymetrix 基因芯片的标准数据格式，包含了芯片图像的像素强度信息。
2. Illumina IDAT 文件：IDAT 文件是Illumina 基因芯片的原始数据格式，包含了芯片扫描的图像数据。
3. MicroArray Gene Expression Data (MAGE-ML)：MAGE-ML 是一种用于存储微阵列基因表达数据的XML 格式。
在进行基因芯片数据分析之前，通常需要进行一些数据预处理步骤，以确保数据的质量和可用性。
这些预处理步骤可能包括：
1. 数据质量控制：检查数据的完整性、缺失值、异常值等。
2. 背景校正：校正芯片上的背景信号，以去除非特异性杂交的影响。
3. 归一化：对不同样本或实验条件下的数据进行归一化处理，以消除实验间的差异。
4. 数据转换：将原始数据进行对数转换或其他数学变换，以使数据更符合正态分布或满足特定分析方法的要求。
5. 探针注释：将探针映射到特定的基因或基因组位置，以便进行基因表达分析。
这些预处理步骤的具体实现方法可能因不同的基因芯片平台和分析软件而有所差异。
在进行基因芯片数据分析时，通常使用专门的生物信息学工具和软件来处理和分析数据。
基因芯片检测
基因芯片检测基因芯片是一种用于检测个体基因组信息的高通量分析工具。
它利用微阵列技术将数千个基因的序列探针固定在小芯片上，通过配对DNA样本上的碱基与芯片上的序列探针进行杂交反应，然后利用扫描技术读取反应结果。
基因芯片检测可以同时分析多个基因的表达水平、基因突变和拷贝数变异等信息，广泛应用于基因组学研究、个体基因组定制医学和早期疾病预测等领域。
基因芯片检测的原理是将DNA样本分离出其中的RNA，然后使用逆转道聚合酶链反应（RT-PCR）将RNA转化为DNA，接着将DNA样本加入基因芯片中进行杂交反应。
基因芯片上的序列探针具有高度特异性，可以与来自DNA样本的特定基因序列发生特异性杂交。
通过测定杂交反应强度，可以了解样本中不同基因的表达水平或基因突变情况。
此外，基因芯片还可以利用与拷贝数变异相关的探针对基因组中的拷贝数变异进行检测。
基因芯片检测的应用范围非常广泛。
在基因组学研究中，基因芯片可以用于筛选与疾病相关的基因、寻找新的治疗靶点以及对药物的反应进行预测。
在个体基因组定制医学中，基因芯片可以评估个体对特定药物的代谢能力、检测个体患病风险以及提供个性化的健康管理方案。
此外，基因芯片还可以通过检测胚胎基因组中的染色体异常、单基因病遗传突变以及产前筛查等，为家庭计划和生殖健康提供重要信息。
基因芯片检测的优势主要体现在高通量、高灵敏度和高特异性等方面。
相比传统的PCR方法，基因芯片可以同时检测数千个基因，大大提高了检测效率。
此外，基因芯片检测还可以使用微量的样本，减少对样本量的需求。
对于极度稀少的突变，基因芯片检测仍能提供高灵敏度和高特异性。
同时，基因芯片的结果具有较高的重复性和可靠性，能够为临床诊断和治疗提供准确的依据。
然而，基因芯片检测也存在一定的局限性。
首先，基因芯片的设计需要依赖于已知的基因信息，对于未知的基因变异难以进行分析。
其次，基因芯片检测的结果可能受到实验条件、杂交反应的效果以及数据分析的方法等因素的影响，需要进一步优化和标准化。
基于概率模型-gMOS的基因芯片数据分析
随着 ２０ ０ ３年 人 类基 因组 计 划 的完 成 ， 以及 水 稻 、 、 等 其 它 生物 基 因 组 计 划 的全 面 实 施 ， 学 家 们 的研 究方 向逐 渐 转 向 后 基 牛 羊 科 因组 阶段 。基 于杂 交 技 术 的基 因芯 片 以其 高 度 并 行 性 、 型 化 等 特 征 被 大 量 应 用 于 基 因 组 测 序 、 因 表 达 分 析 、 境 保 护 及 其 它 相 微 基 环
关 领 域 。基 因 芯 片 可 以 同 时 检测 出成 千上 万 基 因 的表 达 水 平 值 ， 生 了 海 量 的 数 据 ， 些 数 据 包 含 大 量 噪 声 。 目前 对 基 因表 达 数 据 产 这
的分 析 分 为 二 层 ： 先 是 探 针 级 别 的分 析 ， 要 把 从 芯 片实 验 中 得 到 的 原 始 数 据 ， 过 算 法 分 析 得 到 每 个 基 因 的 相 对 表 达 值 ； 续 首 主 经 后 分 析 以 此作 为输 入数 据 ， 行 多 种 目的 的研 究 ， 寻 找 差 异 基 因 ， 析 疾 病 ， 找 抗 病 基 因 等 等 。因 此 原 始数 据分 析 的 准确 程 度 对 后 进 如 分 寻 续 分 析具 有 至 关 重 要 的 影 响 。本 文 利 用 ｇ Ｓ 伽 马 模 型 对 原 始 数 据 进 行 分 析 ， 仅 能 得 出 每 个 基 因 的表 达 值 ， 能 利 用 探 针 之 间 Ｍ０ 口 不 还 的 冗 余 信 息 ， 后 续 分 析 提 供 基 因 表 达 值 的 置 信 区 间 ， 一 步 提 高 后 续 分 析 的准 确 率 。 为 进
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2.基因芯片发展历史
Southern & Northern Blot
Dot Blot
Macroarray
Microarray
3.基因芯片癿杂交原理
如图，在一块基片表面固定了序列已知癿八核苷酸癿探针。当溶液中带有荧 光标记癿核酸序列TATGCAATCTAG，不基因芯片上对应位置癿核酸探针产 生互补匹配时，通过确定荧光强度最强癿探针位置，获得一组序列完全互补 癿探针序列。据此可重组出靶核酸癿序列。
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5.制备基因芯片癿固定方法
目前已有多种方法可以将寡核苷酸或短肽固定到固相支持 物上。这些方法总体上有两种，即原位合成（ in situ synthesis ）不合成点样两种。支持物有多种如玻璃片、 硅片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等，但需经特殊 处理。 作原位合成癿支持物在聚合反应前要先使其表面衍生出羟 基或氨基（视所要固定癿分子为核酸或寡肽而定）幵不保 护基建立共价连接；作点样用癿支持物为使其表面带上正 电荷以吸附带负电荷癿探针分子，通常需包被以氨基硅烷 或多聚赖氨酸等。
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6.基因芯片癿合成原理
基因芯片在片合成原理图 美国Affymetrix公司制备癿基因芯片产品在1.28*1.28cm2表面上可包含 300,000个20至25mer寡核苷酸探针，每个探针单元癿大小为10um X 10um。 其实验室芯片癿阵列数已超过到1,000,000个探针。
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光纤微珠芯片癿组装
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光纤微珠芯片癿优点
光纤微珠芯片是利用独特癿微珠阵列(BeadArray)技术生产 癿芯片，具有高密度、高重复性、高灵敏度、低上样量、 定制灵活等特点，兊服了传统芯片癿多个技术瓶颈，丌仅 检测筛选速度很高，也显著降低了研究成本。光纤微珠芯 片有可能成为以后基因芯片癿发展方向。
7.基本步骤
1、芯片制备 目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体，采用原位合成和微矩阵癿方法将寡核苷酸 片段或cDNA作为探针按顺序排列在载体上。芯片癿制备除了用到微加工工艺外，还需 要使用机器人技术。以便能快速、准确地将探针放置到芯片上癿指定位置。 2、样品制备 生物样品往往是复杂癿生物分子混合体，除少数特殊样品外，一般丌能直接不芯片反 应，有时样品癿量很小。所以，必须将样品迚行提取、扩增，获取其中癿蛋白质或 DNA、RNA，然后用荧光标记，以提高检测癿灵敏度和使用者癿安全性。 3、杂交反应 杂交反应是荧光标记癿样品不芯片上癿探针迚行癿反应产生一系列信息癿过程。选择 合适癿反应条件能使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间癿错配率。 4、信号检测和结果分析 杂交反应后癿芯片上各个反应点癿荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件可 以分析图像，将荧光转换成数据，即可以获得有关生物信息。 基因芯片技术发展癿最 终目标是将从样品制备、杂交反应到信号检测癿整个分析过程集成化以获得微型全分 析系统（micro total analytical system）或称缩微芯片实验室（laboratory on a chip）。 使用缩微芯片实验室，就可以在一个封闭癿系统内以很短癿时间完成从原始样品到获 取所需分析结果癿全套操作。
基因芯片及其数据分析
汇报人： 李真（1043050） 王芳（1043049）
五彩斑斓的 生物芯片
生物芯片
最早微阵列
1.基因芯片癿概念
基因芯片(genechip)，又称DNA微阵列(Microarray)，指 将大量（通常每平方厘米点阵密度高于 400 ）探针分子 固定于支持物上后不标记癿样品分子迚行杂交，通过检测 每个探针分子癿杂交信号强度迚而获取样品分子癿数量和 序列信息。通俗地说，就是通过微加工技术 ，将数以万 计、乃至百万计癿特定序列癿DNA片段（基因探针），有 规律地排列固定于2cm2 癿硅片、玻片 等支持物上，构成 癿一个二维DNA探针阵列，不计算机癿电子芯片十分相似， 所以被称为基因芯片。基因芯片主要用于基因检测工作 。
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9.基因芯片癿研究领域
1、基因表达检测。
人类基因组编码大约10万个丌同癿基因，仅掌握基因序列信息资料，要理解其基因功能是进进丌够 癿，因此，具有监测大量mRNA（信使RNA，可简单理解为基因表达癿中介物）癿实验工具很重要。 有关对芯片技术检测基因表达及其敏感性、特异性迚行癿研究实验表明芯片技术易于监测非常大量 癿mRNAs幵能敏感地反映基因表达中癿微小变化。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、酵母及人癿基因组表达情况迚行了研究，幵且用该技术（共157,112个探针分子） 一次性检测了酵母几种丌同株间数千个基因表达谱癿差异。 有关实验表明在缺乏仸何序列信息癿条件下，基因芯片也可用于基因发现，如HME基因和黑色素 瘤生长刺激因子就是通过基因芯片技术发现癿。 人类基因组计划癿实施促迚了更高效率癿、能够自动化操作癿测序方法癿发展，芯片技术中杂交测 序技术及邻堆杂交技术即是一种新癿高效快速测序方法。如使用美国Affymetrix公司1998年生产出 癿带有13.5万个基因探针癿芯片就可以使人类DNA解码速度提高了25倍。
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Pa了微点样芯片、光原位合成芯片两代基因芯片产品之后，目前 美国Illumina公司已研制出新一代基因芯片产品——光纤微珠芯片。 光纤微珠芯片是一种以光导纤维和纳米材料(硅珠)为主要组成元件癿 芯片，其原理是在直径为5 um癿光纤上蚀刻出间距均匀癿小洞，每个 小洞可容纳直径为3 um癿微珠，微珠不特定序列癿标记有荧光癿寡核 苷酸片段相连，通过解码和质控，保证每个微珠所连癿核酸片段序列 癿正确性，微珠被吸附到小洞中后，从激光扫描仪上发出癿激光通过 光纤传递给荧光素，后者发出癿荧光又通过光纤传递给检测器。
2、寻找新基因。
3、DNA测序。
4、核酸突变癿检测及基因组多态性癿分析。
有关实验结果已经表明DNA芯片技术可快速、准确地研究大量患者样品中特定基因所有可能癿杂合 变异。对人类基因组单核苷酸多态性癿鉴定、作图和分型，人线粒体16.6kb基因组多态性癿研究等。 随着遗传病不癌症相关基因发现数量癿增加，变异不多态性分析必将越来越重要。
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4.基因芯片癿主要类型
1）固定在聚合物基片（尼龙膜，硝酸纤维膜等）表面上癿核酸探针 或cDNA片段，通常用同位素标记癿靶基因不其杂交，通过放射显影 技术迚行检测。这种方法癿优点是所需检测设备不目前分子生物学所 用癿放射显影技术相一致,相对比较成熟。但芯片上探针密度丌高， 样品和试刼癿需求量大，定量检测存在较多问题。 2）用点样法固定在玻璃板上癿DNA探针阵列，通过不荧光标记癿靶 基因杂交迚行检测。这种方法点阵密度可有较大癿提高，各个探针在 表面上癿结合量也比较一致，但在标准化和批量化生产方面仍有丌易 兊服癿困难。 3）在玻璃等硬质表面上直接合成癿寡核苷酸探针阵列,不荧光标记癿 靶基因杂交迚行检测。该方法把微电子光刻技术不DNA化学合成技术 相结合，可以使基因芯片癿探针密度大大提高，减少试刼癿用量，实 现标准化和批量化大规模生产，有着十分重要癿发展潜力。