基因芯片及其最新进展

基因芯片及其最新进展

5 天前仪器信息网

分享：

导读近年，基因芯片技术在疾病易感基因发现、疾病分子水平诊断、基因功能确认、多靶位同步超高通量药物筛选以及病原体检测等医学与生物学领域得到广泛应用。本文对基因芯片及最新进展做了综述。

80年代中期，俄罗斯科学院恩格尔哈得分子生物学研究所和美国阿贡国家实验室(ANL)的科学家们最早在文献中提出了用杂交法测定核酸序列(SBH)新技术的想法。当时用的是多聚寡核酸探针。几乎与此同时英国牛津大学生化系的Sourthern等也取得了在载体固定寡核苷酸及杂交法测序的国际专利。

基因芯片利用微电子、微机械、生物化学、分子生物学、新型材料、计算机和统

计学等多学科的先进技术，实现了在生命科学研究中样品处理、检测和分析过程的连续化、集成化和微型化。

1997年世界上第一全基因组芯片——含有6166个基因的酵母全基因组芯片在斯坦福大学Brown实验室完成，从而使基因芯片技术在世界上迅速得到应用。

基因芯片技术主要包括四个基本要点：芯片方阵的构建、样品的制备、核酸分子反应和信号的检测。1、芯片制备，先将玻璃片或硅片进行表面处理，然后使核酸片段按顺序排列在芯片上。2、样品制备，可将样品进行生物处理，获取其中的DNA、RNA，并且加以标记，以提高检测的灵敏度。3、生物分子反应，芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键一步。通过选择合适的反应条件使样品中的核酸分子与芯片上的核酸分子反应处于最佳状况中，减少错配比率。4、芯片信号检测，常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中，通过扫描以获得有关生物信息。

基因芯片技术发展的最终目标是将从样品制备、杂交反应到信号检测的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，就可以在一个封闭的系统以很短的时间完成从原始样品到获取所需分析结果的全套操作。

近年,基因芯片技术在疾病易感基因发现、疾病分子水平诊断、基因功能确认、多靶位同步超高通量药物筛选以及病原体检测等医学与生物学领域得到广泛应用。

一、第一代基因芯片

第一代基因芯片基片可用材料有玻片、硅片、瓷片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜和尼龙膜,其中以玻片最为常用。为保证探针稳定固定于载体表面,需要对载体表面进行多聚赖氨酸修饰、醛基修饰、氨基修饰、巯基修饰、琼脂糖包被或丙烯酰胺硅烷化,使载体形成具有生物特异性的亲和表面。最后将制备好的探针固定到活化基片上,目前有两种方法:原位合成和合成后微点样。根据芯片所使用的标记物不同,相应信号检测方法有放射性核素法、生物素法和荧光染料法,在以玻片为载体的芯片上目前普遍采用荧光法。

相应荧光检测装置有激光共聚焦显微镜、电荷偶合器( charge coup led devices, CCD)、激光扫描荧光显微镜和激光共聚焦扫描仪等。其中的激光共聚焦扫描仪已发展为基因芯片的配套检测系统。经过芯片扫描提取杂交信号之后,在数据分析之前,首先要扣除背景信号,进行数据检查、标化和校正,消除不同实验系统的误差。

对于简单的检测或科学实验,因所需分析基因数量少,故直接观察即可得出结论。若涉及大量基因尤其是进行表达谱分析时,就需要借助专门的分析软件,运用统计学和生物信息学知识进行深入、系统的分析,如主成分分析、分层聚类分析、判别分析和调控网络分析等。

芯片数据分析结束并不表示芯片实验的完成,由于基因芯片获取的信息量大,要对呈数量级增长的实验数据进行有效管理,需要建立起通行的数据储存和交流平台,

将各实验室获得的实验结果集中起来形成共享的基因芯片数据库,以便于数据的交流及结果的评估。

典型如SuperArray公司的功能分类基因芯片：

1、引物设计

SYBR Green可与所有的双链DNA反应(包括引物二聚体)，为了使扩增反应集中于目的基因，避免非特异性扩增，引物设计成为关键因素。为得到单一特异的扩增产物，避免扩增出序列相似的非特异性产物，采用BLAST或者其他比对方法，检测引物在相应物种(如人，小鼠或大鼠)全基因组中的特异性。为了保证在相同的PCR条件下(特别是统一的退火温度)，不同基因均能扩增出相应的特异性产物，对引物的CG值，解链温度(Tm)，以及其他化学和物理的特性都进行了优化调整。为了获得高扩增效率，对扩增片段的长度也进行了优化，一般为100到200bp，确保在统一的循环反应的时间围，不同基因均能扩增出完整片段。

2、反应体系

为避免非特异性扩增，使用化学修饰的热启动Taq酶，只有经过热激步骤，Taq 酶才能发挥扩增活性。同时，反应体系经过优化，可最大限度减少引物二聚体形成，并且保证较难扩增的片段都得到极高的扩增效率。

3、定量结果可靠

在标准的96孔PCR反应仪中进行实时定量PCR实验，为了获得高通量，无法为每个样品单独制备标准曲线。在完全相同的PCR反应条件下，希望表达量不同的多个基因均获得可靠的结果，需要确保每个基因都有较高的扩增效率，从而可采用简单的△△Ct方法计算基因表达量。

其灵敏度高，样品的使用量低，每芯片使用的总RNA最少可为0.5ng;可观察到的动态线性围超过105，可以同时检测表达量差异较大的基因;Ct值的平均差异只有0.25个循环，可检测超过两倍的基因表达量变化。因此，第二代功能分类基因芯片是研究特定信号通路或者一组功能相关基因表达量的理想方法。

二、第二代基因芯片

尽管基因芯片技术已经取得了长足的发展，但仍然存在着许多难题和不足。目标分子的标记是重要的限速步骤，如何绕过这一步是人们一直期望解决的问题。其次是检测灵敏度不高，重复性差，无法检测单碱基错配的基因样品。再者，待检测的基因样品必须经过PCR扩增技术的处理以获得足够量的待检测样品，使检测过程相对复杂。我们称具备以上特征的基因芯片技术为第一代基因芯片技术，这些特征充分说明基因芯片技术本身存在着较大的发展空间。

第二代基因芯片包括如下几种：

1. 电极阵列型基因芯片：将微电极在衬底上排成阵列，通过对氧化还原指示剂的电流信号的检测实现基因序列的识别;