生命科学概论结课论文

基因芯片技术进展及应用

基因芯片技术进展及应用

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二十世纪是物理科学的世纪，而二十一世纪则是生命科学的世纪。生命科学，尤其是生物技术的迅猛发展，不仅与人类健康，农

业发展以及生存环境密切相关，而且还将对其它学科的发展起到促

进作用，所谓"今天的科学，明天的技术，后天的生产"。而生命科

学的基础性研究是现代生物技术的源泉、科学和技术创新的关键。

随着人类基因组计划(Human Genome Project)即全部核苷

酸测序的即将完成，人类基因组研究的重心逐渐进入后基因组时代（Postgenome Era）向基因的功能及基因的多样性倾斜。通过对

个体在不同生长发育阶段或不同生理状态下大量基因表达的平行分析，研究相应基因在生物体内的功能，阐明不同层次多基因协同作

用的机理，进而在人类重大疾病如癌症、心血管疾病的发病机理、

诊断治疗、药物开发等方面的研究发挥巨大的作用。它将大大推动

人类结构基因组及功能基因组的各项基因组研究计划。

关键字：基因芯片；核酸探针序列；杂交

一、基因芯片简介

基因芯片，也叫DNA芯片，是在90年代中期发展出来的高科技

产物。基因芯片大小如指甲盖一般，其基质一般是经过处理后的玻

璃片。每个芯片的基面上都可划分出数万至数百万个小区。在指定

的小区内，可固定大量具有特定功能、长约20个碱基序列的核酸分

子（也叫分子探针）。

由于被固定的分子探针在基质上形成不同的探针阵列，利用分

子杂交及平行处理原理，基因芯片可对遗传物质进行分子检测，因

此可用于进行基因研究、法医鉴定、疾病检测和药物筛选等。基因

芯片技术具有无可比拟的高效、快速和多参量特点，是在传统的生

物技术如检测、杂交、分型和DNA测序技术等方面的一次重大创新

和飞跃。

二、基因芯片技术

基因芯片的工作原理与经典的核酸分子杂交方法（southern、northern）是一致的，都是应用已知核酸序列作为探针与互补的靶

核苷酸序列杂交，通过随后的信号检测进行定性与定量分析，基因

芯片在一微小的基片（硅片、玻片、塑料片等）表面集成了大量的

分子识别探针，能够在同一时间内平行分析大量的基因，进行大信

息量的筛选与检测分析。基因芯片主要技术流程包括：芯片的设计

与制备；靶基因的标记；芯片杂交与杂交信号检测。

基因芯片的设计实际上是指芯片上核酸探针序列的选择以及排布，设计方法取决于其应用目的，目前的应用范围主要包括基因表

达和转录图谱分析及靶序列中单碱基多态位点

（single nucleotide polymorphism，SNP）或突变点的检测，表达型芯片的目的是在杂交实验中对多个不同状态样品(不同组织或不

同发育阶段、不同药物刺激)中数千基因的表达差异进行定量检测，

探针序列一般来自于已知基因的cDNA或EST库，设计时序列的特

异性应放在首要位置，以保证与待测目的基因的特异结合，对于同

一目的基因可设计多个序列不相重复的探针，使最终的数据更为可靠。基因单碱基多态检测的芯片一般采用等长移位设计法，即按靶

序列从头到尾依次取一定长度的互补的核苷酸序列形成一探针组合，这组探针是与靶序列完全匹配的野生型探针，然后对于每一野生型

探针，将其中间位置的某一碱基分别用其它三种碱基替换，形成三

种不同的单碱基变化的核苷酸探针，这种设计可以对某一段核酸序

列所有可能的SNPs位点进行扫描。

芯片制备方法主要包括两种类型：(1)点样法：首先是探针库的

制备,根据基因芯片的分析目标从相关的基因数据库中选取特异的

序列进行PCR扩增或直接人工合成寡核苷酸序列，然后通过计算机

控制的三坐标工作平台用特殊的针头和微喷头分别把不同的探针溶

液逐点分配在玻璃、尼龙以及其它固相基片表面的不同位点上，通

过物理和化学的方法使之固定，该方法各技术环节均较成熟，且灵

活性大，适合于研究单位根据需要自行制备点阵规模适中的基因芯片。(2)原位合成法：该法是在玻璃等硬质表面上直接合成寡核苷酸

探针阵列，目前应用的主要有光去保护并行合成法，压电打印合成

法等，其关键是高空间分辨率的模板定位技术和高合成产率的DNA

化学合成技术，适合制作大规模DNA探针芯片，实现高密度芯片的

标准化和规模化生产。

生物芯片技术是于90年代初期随着人类基因组计划的顺利进行

而诞生，它是通过像集成电路制作过程中半导体光刻加工那样的微

缩技术，将现在生命科学研究中许多不连续的、离散的分析过程，

如样品制备、化学反应和定性、定量检测等手段集成于指甲盖大小

的硅芯片或玻璃芯片上，使这些分析过程连续化和微型化。也就是说将现在需要几间实验室、检验室完成的技术，制作成具有不同用途的便携式生化分析仪，使生物学分析过程全自动化，分析速度成千上万倍地提高，所需样品及化学试剂成千上万倍地减少。可以预见，在不远的将来，用它制作的微缩分析仪将广泛地应用于分子生物学、医学基础研究、临床诊断治疗、新药开发、司法鉴定、食品卫生监督、生物武器战争等领域。

生物芯片技术是目前应用前景最好的DNA分析技术之一，分析对象可以是核酸、蛋白质、细胞、组织等。目前全世界用生物芯片进行疾病诊断还处于研究阶段，国外已将其用于观察癌基因及肌萎缩等一些遗传病基因的表达和突变情况。

生物芯片技术还可以用于治疗，例如已开发出在4平方毫米的芯片上布满400根有药物的针，定时定量为病人进行药物注射。另外，科学家还在考虑制作定时释放胰岛素治疗糖尿病的生物芯片微泵及可以置入心脏的芯片起搏器等。生物芯片技术与组合化学相结合将开辟另一个极有价值的应用方向，即为新药研制提供超高通量筛选平台技术，这必将使新药研究开发和传统中药的成分评估获得重大突破。

三、基因芯片的应用技术举例

基因表达图谱的绘制是目前基因芯片应用最广泛的领域，也是人类基因组工程的重要组成部分，它提供了从整体上分析细胞表达状况的信息，而且为了解与某些特殊生命现象相关的基因表达提供了有力的工具，对于基因调控以及基因相互作用机理的探讨有重要作用。人类基因组编码大约100000个不同的基因，因此，具有监测大量mRNA的实验工具很重要。基因芯片技术可清楚地直接快速地检测出以1∶300000水平出现的mRNA，且易于同时监测成千上万的基因。目前，已能够在1.6cm2面积上合成和阅读含400000个探针的阵列，可监测10000个基因的表达状况。斯坦福大学的Brown用制备的酵母cDNA芯片，获得酵母在不同细胞周期状态以及在热休克冷休克处理后其2473个基因的表达图谱，较直观地反应了不同条件和状态下基因转录调控水平，从而为寻找基因调控的机理提供了一条有效的途径。