生物信息学在基因芯片中的应用.pptx
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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
• 第一是芯片设计问题 • 第二是可靠性分析问题 • 第三是数据挖掘问题
第二节 基因芯片设计
１、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
• 查询生物分子数据库
３、cDNA芯片与寡核苷酸芯 片的设计
• cDNA芯片设计的关键在于数据库的建 立和数据库信息的利用以及各种文库的 建立。
• cDNA芯片制备方法一般采用点样法， 多用于基因表达的监控和分析。
• 寡核苷酸芯片制备一般采用在片合成方 法。优化是寡核苷酸芯片设计的一个重 要环节，包括探针的优化和整个芯片设 计结果的优化。
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
重组的互补序列
—TATGCAATCTAG
• 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。
• 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。
４、寡核苷酸探针的优化设计
５、基因芯片布局
Target T C C G T T A G C T G A C T G C A G C T
探针布局图
TG变异
杂交模式
５、基因芯片布局
基于Tm值梯度场的布局方法
• 凸点均匀分布布局方法
（a）
(b)
凸点均匀分布优化结果示意 (a)优化前； (b)优化后。
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
探针设计
杂交结果分析
（２）基因芯片制备
• 基因芯片的制备主要有两种基本方法:
• 一是在片合成法，
• 在片合成法是基于组合化学的合成原理,它通过一组 定位模板来决定基片表面上不同ຫໍສະໝຸດ Baidu学单体的偶联位 点和次序。在片合成法制备DNA芯片的关键是高空 间分辨率的模板定位技术和固相合成化学技术的精 巧结合。
• 用于表达谱测量的mRNA样品制备 • 用于多态性(或突变)研究的基因样品的制备
（４）杂交信号检测
• 对于用荧光素标记经扩增（也可用其他 放大技术）的序列或样品，与芯片上的 探针进行杂交，然后冲洗，采集荧光图 像。
• 图像的采集用落射荧光显微镜 或电荷偶 联装置照相机 非共聚焦激光扫描仪等进 行。
基因芯片 数据库
杂交 检测 图像
生物信息学 数据挖掘 数据可视化
基因芯片数据流图
图像处理
（２）生物信息学在基因芯片 中的应用
• 生物信息学在基因芯片中的应用主要体 现在三个方面:
• 确定芯片检测目标 • 芯片设计 • 实验数据管理与分析
（３）基因芯片研究与应用中 所要解决的信息学问题
• 在基因芯片信息学方面要解决以下几个 关键的问题:
（１）基因芯片的基本原理及生物信息学的作用
• 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。
• 基因芯片把大量已知序列探针集成在同一个基 片上，经过标记的若干靶核酸序列通过与芯片 特定位置上的探针杂交,便可根据碱基互补匹配 的原理确定靶基因的序列。
第八章 生物信息学在基因芯片 中的应用
主讲人：孙 啸 制作人：刘志华 东南大学 吴健雄实验室
• 生物信息学和基因芯片是生命科学研究 领域中的两种新方法和新技术，生物信 息学与基因芯片密切相关，生物信息学 促进了基因芯片的研究与应用，而基因 芯片则丰富了生物信息学的研究内容
第一节 概述
１、基因芯片简介
• 对于DNA序列变异分析，最基本的要求是 能够检测出发生变异的位置，进一步的要 求是能够发现发生了什么样的变化。
• 从杂交的单碱基错配辨别能力来看，当错 配出现在探针中心时，辨别能力强，而当 错配出现在探针两端时，辨别能力非常弱 。所以，在设计检测DNA序列变异的探针 时，检测变化点应该对应于探针的中心， 以得到最大的分辨率。
• 另一种方法是点样法。
• 基因芯片点样法首先按常规方法制备cDNA（或寡 核苷酸）探针库，然后通过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、尼龙或 者其它固相基底表面上不同位点,并通过物理和化学 的结合使探针被固定于芯片的相应位点。
（３）靶基因样品的制备及芯片杂交
• 根据基因芯片的检测目的不同,可以把样品制 备方法分为
２、基因芯片对于生物分子信息检测的作用和意义
• 在生命科学领域中，基因芯片为分子生物学、 生物医学等研究提供了强有力的手段。
• 利用基因芯片技术，可研究生命体系中不同 部位、不同生长发育阶段的基因表达，比较 不同个体或物种之间的基因表达，比较正常 和疾病状态下基因及其表达的差异。
• 基因芯片技术也有助于研究不同层次的多基 因协同作用的生命过程，发现新的基因功能， 研究生物体在进化、发育、遗传过程中的规 律。
３、基因芯片研究和应用中所涉及到 的生物信息学问题
提取什么信息 如何提取信息 如何处理和利用信息
确定芯片检测目标 芯片设计 数据管理与分析
确定目标
选择待检测的 目标序列
探针设计
解决杂交条件一 致性问题
芯片优化
提高芯片制备效 率
数据分析
分析杂交检测结 果及可靠性
数据库查询 序列分析
公共 数据库
专用 数据库
• 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
• 第一是芯片设计问题 • 第二是可靠性分析问题 • 第三是数据挖掘问题
第二节 基因芯片设计
１、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
• 查询生物分子数据库
３、cDNA芯片与寡核苷酸芯 片的设计
• cDNA芯片设计的关键在于数据库的建 立和数据库信息的利用以及各种文库的 建立。
• cDNA芯片制备方法一般采用点样法， 多用于基因表达的监控和分析。
• 寡核苷酸芯片制备一般采用在片合成方 法。优化是寡核苷酸芯片设计的一个重 要环节，包括探针的优化和整个芯片设 计结果的优化。
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
重组的互补序列
—TATGCAATCTAG
• 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。
• 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。
４、寡核苷酸探针的优化设计
５、基因芯片布局
Target T C C G T T A G C T G A C T G C A G C T
探针布局图
TG变异
杂交模式
５、基因芯片布局
基于Tm值梯度场的布局方法
• 凸点均匀分布布局方法
（a）
(b)
凸点均匀分布优化结果示意 (a)优化前； (b)优化后。
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
探针设计
杂交结果分析
（２）基因芯片制备
• 基因芯片的制备主要有两种基本方法:
• 一是在片合成法，
• 在片合成法是基于组合化学的合成原理,它通过一组 定位模板来决定基片表面上不同ຫໍສະໝຸດ Baidu学单体的偶联位 点和次序。在片合成法制备DNA芯片的关键是高空 间分辨率的模板定位技术和固相合成化学技术的精 巧结合。
• 用于表达谱测量的mRNA样品制备 • 用于多态性(或突变)研究的基因样品的制备
（４）杂交信号检测
• 对于用荧光素标记经扩增（也可用其他 放大技术）的序列或样品，与芯片上的 探针进行杂交，然后冲洗，采集荧光图 像。
• 图像的采集用落射荧光显微镜 或电荷偶 联装置照相机 非共聚焦激光扫描仪等进 行。
基因芯片 数据库
杂交 检测 图像
生物信息学 数据挖掘 数据可视化
基因芯片数据流图
图像处理
（２）生物信息学在基因芯片 中的应用
• 生物信息学在基因芯片中的应用主要体 现在三个方面:
• 确定芯片检测目标 • 芯片设计 • 实验数据管理与分析
（３）基因芯片研究与应用中 所要解决的信息学问题
• 在基因芯片信息学方面要解决以下几个 关键的问题:
（１）基因芯片的基本原理及生物信息学的作用
• 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。
• 基因芯片把大量已知序列探针集成在同一个基 片上，经过标记的若干靶核酸序列通过与芯片 特定位置上的探针杂交,便可根据碱基互补匹配 的原理确定靶基因的序列。
第八章 生物信息学在基因芯片 中的应用
主讲人：孙 啸 制作人：刘志华 东南大学 吴健雄实验室
• 生物信息学和基因芯片是生命科学研究 领域中的两种新方法和新技术，生物信 息学与基因芯片密切相关，生物信息学 促进了基因芯片的研究与应用，而基因 芯片则丰富了生物信息学的研究内容
第一节 概述
１、基因芯片简介
• 对于DNA序列变异分析，最基本的要求是 能够检测出发生变异的位置，进一步的要 求是能够发现发生了什么样的变化。
• 从杂交的单碱基错配辨别能力来看，当错 配出现在探针中心时，辨别能力强，而当 错配出现在探针两端时，辨别能力非常弱 。所以，在设计检测DNA序列变异的探针 时，检测变化点应该对应于探针的中心， 以得到最大的分辨率。
• 另一种方法是点样法。
• 基因芯片点样法首先按常规方法制备cDNA（或寡 核苷酸）探针库，然后通过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、尼龙或 者其它固相基底表面上不同位点,并通过物理和化学 的结合使探针被固定于芯片的相应位点。
（３）靶基因样品的制备及芯片杂交
• 根据基因芯片的检测目的不同,可以把样品制 备方法分为
２、基因芯片对于生物分子信息检测的作用和意义
• 在生命科学领域中，基因芯片为分子生物学、 生物医学等研究提供了强有力的手段。
• 利用基因芯片技术，可研究生命体系中不同 部位、不同生长发育阶段的基因表达，比较 不同个体或物种之间的基因表达，比较正常 和疾病状态下基因及其表达的差异。
• 基因芯片技术也有助于研究不同层次的多基 因协同作用的生命过程，发现新的基因功能， 研究生物体在进化、发育、遗传过程中的规 律。
３、基因芯片研究和应用中所涉及到 的生物信息学问题
提取什么信息 如何提取信息 如何处理和利用信息
确定芯片检测目标 芯片设计 数据管理与分析
确定目标
选择待检测的 目标序列
探针设计
解决杂交条件一 致性问题
芯片优化
提高芯片制备效 率
数据分析
分析杂交检测结 果及可靠性
数据库查询 序列分析
公共 数据库
专用 数据库