基因芯片简介

BCC研究公司发表的生物芯片市场调查报告称，微阵列（芯片）和Lab-on-a-Chip是生 物芯片产品家族的主要成员，2007年，全球生物芯片市场大约为19.379亿美元，2008年将 达到21.156美元，2013年这一市场是38亿美元，年增长率高达12.7%。
什么是基因芯片
1、基因芯片是1-100million的分子生物学探 针排布在一块指甲盖大小（1-2cm2）的玻璃片、 硅片、尼龙膜、凝胶或金属载体材料上。
载体修饰
片基表面必须存在功能性化学基团，以便偶联生物分子。活化的表面带有 赖氨酸基团的芯片是目前最常见的活化方式之一。其原理是将玻璃表面的羟基 转化成带活性赖氨酸表面的基团，然后DNA分子上的氨基基团与芯片上的肽键 相互作用而形成共价连接：
芯片设计
确定芯片所要检测的目标对象: 1、查询生物分子数据库 取得相应的DNA序列数据 2、序列对比分析 找出特征序列，作为芯片设计的参照序列 3、数据库搜索 得到关于序列突变的信息及其它信息
2、通过杂交，探针与 目标靶分子结合。
3、通过荧光标记的分子能够呈现不同的 荧光发射谱征，用激光共聚焦显微扫描或 CCD相机收集信号。
生物芯片分类
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
芯片制作
基因芯片的制 作方式
原位合成
原位光蚀刻合成 光导原位合成 原位喷印合成
直接点样
针式点样 喷墨点样 分子印章法
原位光蚀刻合成
在合成碱基单体的5'羟基末端连上一个光敏保护基。利用光照射使羟基 端脱保护，然后一个5'端保护的核苷酸单体连接上去，这个过程反复进行 直至合成完毕。
鉴于光刻设备技术复杂，只能有专业化公司生产，加之成本高及合成效 率不高的问题，因此有待进行以下研究： ⑴对光刻技术进行改进，提高合成效率； ⑵开发新的原位合成技术，如喷印合成技术，该技术既能进行原位合成又 能进行非原位合成。
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
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
探针的选择
1 分支探针
引入报告分子可以使检测信号成倍放大
杂交探针组
ACGTTAGACGTTAGAT GTTAGATC
ATACGTTAGATC
—TATGCAATCTAG
TATGCAATCTAG 靶序列
基因芯片的相关技术示意图
提出问题
芯片设计
芯片制作
●表达差异分析 ●多态性分析 ●再测序
●生物信息学 ●数学优化 ●数据库试样处理 芯片杂交●点样方法 ● 在片合成
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。 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。
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
芯片载体
几种常用载体：
1、膜： 与核酸亲和力强，杂交技术成熟，通常无需另外包被（如尼龙膜）。 2、玻璃片：应用广泛，材料来源方便，经表面处理的玻片是一种持久的载体，
可耐受高温和高离子强度。 3、硅片： 具有良好的导热性，但是不透明，不利于光学检测，具有比较强的
表面非特异性吸附。一般毛细管电泳时不选用硅片。 4、塑料： 容易塑光、光学透明、化学惰性与稳定（如聚二甲基硅烷PDMS）。
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
二、基因芯片原理
核酸杂交技术（sequencing by hybridization, SBH）是基因芯片应用的基础。
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：
(1)
CTCATATG
(2)
GCTCATAT
(3)
AGCTCATA
(4)
TAGCTCAT
(5) TTAGCTCA
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。 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。
基因芯片技术及其在医学领域的应用
1
基因芯片简介
2
基因芯片原理
3 基因芯片在医学领域的应用
一、基因芯片简介
随着后基因组时代的来临，面对大量基因的结构信息， 需要对其功能进行大规模的研究。生物芯片随之应运而生， 它能以大规模、高通量、自动化的方式对基因进行研究。
同义名： Gene chip DNA microchip DNA array DNA microarray Oligonucleotide array
2 肽核酸探针
肽核酸( peptide nucleic acid , PNA)——是一类以氨基酸替代糖-磷 酸主链的DNA类似物，骨架由重复的N-甘氨酸通过酰胺键相连构成，碱 基则通过甲叉碳酰基与骨架相连。
➢PNA分子内不会形成二级、三级结构 ➢DNA与PNA杂交不需要盐离子
3 分子信标
带一段互补发夹结构的短序列，与靶分子结合时，构型改变，使得猝 灭分子离开荧光分子，发出荧光。
●PCR扩增 ●靶基因标记
实际应用
数据分析
杂交检测
芯片载体和载体的修饰
载体的特征： 1、具有良好的光学性质，能适应透射光和反射光的测量。 2、载体表面具有可以反应的活性集团。 3、单位载体上分子数有最大容量。 4、载体应是惰性并具有足够的稳定性。 5、具有良好的生物兼容性。
载体的分类： 1、无机材料 2、天然有机聚合物 3、人工合成的高分子聚合物 4、高分子聚合膜