基因芯片综述

基因芯片文献综述

摘要：基因芯片技术是伴随着人类基因组计划的实施而发展起来的生命科学领域里的前沿生物技术。目前，人们对疾病的分类和诊断的水平已经有了进一步的提高，基于基因芯片的特征选择技术在其中起到了关键性的作用。经过十几年的发展，基因芯片技术也在不断完善、成熟，并广泛运用于生命科学的各个领域。本文重点介绍基因芯片技术的进展、分类、应用领域及发展前景。

关键词：基因芯片技术背景，分类，应用领域，展望

1．基因芯片技术背景

1.1技术背景

20世纪80年代启动的由多个国家参加的人类基因组计划，被称为是继曼哈顿原子计划、阿波罗登月计划之后的第三大科学计划，这个计划的完成对人类认识自身，提高健康水平，推动生命科学、医学、生物技术、制药业、农业等的发展具有极其重要的意义。

随着人类基因组计划(Human Genome Project, HGP)的完成以及分子生物学相关学科的迅猛发展，极大地带动了人类疾病相关基因以及病原微生物基因的定位、克隆、结构与功能研究，基因芯片(gene chip)就是在这个背景下发展起来的一项分子生物学新技术[1]。

1.2基因芯片概念

基因芯片即DNA芯片或DNA微阵列，大小如指甲盖一般，每个芯片的基而上都可以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。它是把大量己知序列探针集成在同一个基片(如玻片、膜)上[2-4]，经过标记的若干靶核苷酸序列与芯片特定位点上的探针杂交，通过检测杂交信号，对生物细胞或组织中大量的基因信息进行分析。

1.3基因芯片特点

其突出特点在十高度并行性、多样性、微型化和自动化。高度的并行性不仅可以大大提高实验的进程，而且有利于DNA芯片技术所展示图谱的快速对照和阅读。多样性可以在单个芯片中同时一进行样品的多参数分析，从而避免因不同实验条件产生的误差，大大提高分析的精确性。微型化可以减少试剂用量和减小反应液体积，降低实验费用。高度自动化则可以降低制造芯片的成本和保证芯片的制造质量[5]。1995年Science杂志首次报道了Schena等人用DNA微阵列技术并行检测拟南芥多个基因的表达水平。1994年第一张商业化基因芯片由Affymetrix公司推出。

二．分类

基因芯片有不同的分类方法：

①按其片基不同可分为无机片基芯片和有机合成片基芯片；

②按其应用不同，可分为表达谱芯片、诊断芯片、检测芯片；

③按其制备方法不同可分为原位合成芯片和合成后交联芯片(合成后点样芯片)；

最常用的还是按载体上所点探针的长度分为cDNA芯片和寡核苷酸芯片两种。

1）cDNA芯片：由Schena建立，将特定的cDNA经PCR扩增后借助机械手直接点到基片上；

2)寡核苷酸芯片：由Fodor首先报道，用照相平板印刷术和固相合成技术在基片上生成寡核苷酸，分为长寡核苷酸芯片和短寡核苷酸芯片，与cDNA芯片制作的一个主要不同点是多一步转录获得cRNA的过程。几种基因芯片技术的比较见表1[6]。

表1 几种基因芯片技术的比较

三．基因芯片的应用

3.1应用领域

随着基因芯片技术的日渐成熟，在功能基因组、疾病基因组、系统生物学等领域中得到了广泛的应用，己经发表了上万篇研究论文，每年发表的论文呈现增长的趋势。在基础研究方面的应用基因芯片的产生为分子生物学基础研究提供了一个巨大的技术平台，从诞生以来就被广泛应用于各个方面。基因芯片应用最多的一个方面是基因表达分析。与传统方法一次只能研究某个基因的表达情况不同，利用基因芯片高通量的特性，可以在很短时间内测定不同功能状态、不同组织部位基因的差异表达，得到特异的基因表达谱，大大提高对相关基因研究的效率。基因芯片技术以一种全新、系统的科研思维方式研究生物体，使揭示早期发育、分化、衰老、癌变等一系列复杂生命现象成为可能[7-8]。

由于基因芯片(gene chip)技术具有微型化、集约化和标准化的特点，所以在分子生物学研究、生物制药领域和环境学等领域、医学临床检验包括兽医临床显示出了超凡的生命力[9]。在以功能基因为研究主体的后基因时代，利用基因的基础确定基因的功能及其在不同情况下的表达状况。传统的分子生物学的手段需要花费大量的人力物力并无法满足大多数生命现象及与多个基因有关的情况。基因芯片技术的出现使得大规模地分析基因的功能及其在各种情况下的表达状况成为可能。

3.2基因芯片检测微生物的实用性与优越性

基因芯片技术虽然脱胎于核酸杂交技术，并利用PCR技术制备检测模板，但基因芯片在许多方面是后两种技术所无法比拟的[10]。主要表现在以下几个方面：

①可实现样品的高通量检测。高密度基因芯片可同时对成千上万个样品进行检测与分析，极大地加快了实验进程，提高检测速度；

②可对大量样品进行并行检测。在模板与探针进行杂交时，反应体积和条件完全一致，排除

了实验过程中人为的或由其它因素引起的各种误差，保证了检测结果的精确性和准确性；

③分析过程中可采用多色荧光(可多达4种)对样品进行标记，同时对多个生物样品进行分析，减少了人为因素的干扰，提高了检测的准确性；

④反应体积小，降低了试剂的消耗；

⑤反应物在单位体积内浓度高，反应快，缩短检测时间；

⑥特异性较强。芯片检测一般分为模板的获取和杂交检测两部分。采用PCR技术制备模板具有较强的特异性，杂交反应同样特异性较强。因此，基因芯片检测的特异性与传统的PCR 结合探针杂交检测的特异性一致；

⑦可完全实现自动化及快速检测。在芯片制备和结果检测以及信号分析、处理过程中采用计算机控制，使分析、检测结果更为客观、准确。

3.3基因芯片技术检测微生物存在的问题

基因芯片技术充分利用了生物学、信息学等当今前沿科技成果，发展至今，在诸多领域己呈现出广阔的应用前景。当然，作为一项新诞生的技术，它也同样有许多问题需要解决，有学者也指出，基因芯片技术作为一种预测手段还不稳定，应慎重选择[11-12]。

(1)基因及基因芯片技术专利的限制。目前基因专利越来越受到各国的重视，功能明确的基因基本都被申请了专利。同样，基因芯片技术一经诞生，其关键技术(如光导探针合成等)就已被专利保护起来。这些都限制了基因芯片技术的应用与普及。

(2)相关技术急需改进与提高。基因芯片技术是一项多学科交叉，基础研究与应用开发研究密切结合的技术，必须依靠各学科研究工作者的通力合作才能取得突破。目前基因芯片技术本身还面临许多问题需要解决：①基因芯片检测的特异性有待提高，假阳性和假阴性仍影响着这一技术的应用；②芯片制作技术复杂，探针的制备与固定费时费力，尤其是高密度芯片制备；③样品制备和标记操作过程需要简化，尤其是靶DNA的获得尚需要采用PCR技术进行扩增，荧光标记也是芯片检测的限制性步骤，且费用过高等；④相关设备价格太高，需进一步研制和开发小型、价廉的仪器；⑤实验室操作程序需要标准化；⑥芯片产品的质量和可靠性需要保证等。

(3)芯片检测的费用过高。目前芯片的制备和检测费用很高，只能在大的实验室和研究机构开展，一套完备的芯片制备和检测仪器需要几十万到上百元万人民币，极大地限制了芯片技术的开发和应用。

虽然基因芯片还存在着上述问题，但相信随着功能基因组学和蛋白组学研究的深入和芯片技术的完善，这些问题最终将会得到很好的解决。

四．展望

随着科学技术的进步，不断地给一项技术带来新的增长点，基因芯片和深度测序是点杂交技术和测序的高通量革命，两大分子生物学经典实验技术都发展到了高通量的时代，正如他们以前对生命科学研究所做出的贡献一样，今后这两大技术必将继续协同配合推动生命科学研究进入新的纪元[13]。