基因芯片技术及其应用简介(精)

基因芯片技术及其应用简介
生物科学学院杨汝琪
摘要:随着基因芯片技术的发展,基因芯片越来越多的被人们利用,它可应用于生活中的方方面面,如:它可以应用于医学、环境科学、微生物学和农业等多个方面,基因技术的发展将有利于社会进一步的发展。

关键词:基因芯片;技术;应用
基因(gene是载有生物体遗传信息的基本单位,存在于细胞的染色体(chromosome上。

将大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上,称之为基因芯片(又称DNA 芯片、生物芯片。

在一块1 平方厘米大小的基因芯片上,根据需要可固定数以千计甚至万计的基因片段,以此形成一个密集的基因方阵,实现对千万个基因的同步检测。

基因芯片技术是近年来兴起的生物高新技术,把数以万计的基因片段以显微点阵的方式排列在固体介质表面,可以实现基因检测的快速、高通量、敏感和高效率检测,将可能为临床疾病诊断和健康监测等领域,带来全新的技术并开拓广阔的市场。

1 基因芯片技术原理及其分类
1.1基因芯片的原理:
基因芯片属于生物芯片的一种"其工作原理是:经过标记的待测样本通过与芯片上特定位置的探针杂交,可根据碱基互补配对的原则确定靶序列[1],经激光共聚集显微镜扫描,以计算机系统对荧光信号进行比较和检测,并迅速得出所需的信息"基因芯片技术比常规方法效率高几十到几千倍,可在一次试验中间平行分析成千上万个基因,是一种进行序列分析及基因表达信息分析的强有力工具。

1.2基因芯片分类:
1.2.1根据其制造方法可分原位合成法和合成后点样法;
1.2.2根据所用载体材料不同分为玻璃芯片!硅芯片等;
1.2.3根据载体上所固定的种类可分为和寡核苷酸芯片两种;
1.2.4根据其用途可分测序芯片!表达谱芯片!诊断芯片等
2 基因芯片技术常规流程
2.1 芯片设计根据需要解决的问题设计拟采用的芯片,包括探针种类、点阵数目、片基种类等。

2.2 芯片制备将DNA, cDNA或寡核昔酸探针固定在片基上的过程。

从本质上可分为两大类fz} ,一类是在片基上直接原位合成,有光蚀刻法、压电印刷法和分子印章多次压印法三种;另一类是将预先合成的探针固定于片基表面即合成点样法。

2.3 样品制备常规方法提取样品总RNA,质检控制。

再逆转录为。

DNAo
2.4 样品标记在逆转录过程中标记荧光素等。

2.5 芯片杂交标记的cDNA溶于杂交液中,与芯片杂交。

2.6 芯片扫描一用激光扫描仪扫描芯片。

2.7 图像采集和数据分析专用软件分析芯片图像,然后对数据进行归一化,最后以差异为两倍的标准来确定差异表达基因。

2.8 验证用定量PCR或原位杂交验证芯片结果的可信性。

3基因芯片合成的主要方法
目前已有多种方法可以将基因片段(寡核苷酸或短肽固定到固相支持物上。

这些方法总体上有两种:
3.1原位合成:
此方法主要为光引导聚合技术,它不仅可用于寡聚核苷酸的合成,也可用于合成寡肽分子。

光引导聚合技术是照相平板印刷技术与传统的核酸、多肽固相合成技术相结合的产物。

半导体技术中曾使用照相平板技术法在半导体硅片上制作微型电子线路。

固相合成技术是当前多肽、核酸人工合成中普遍使用的方法,技术成熟且已实现自动化。

二者的结合为合成高密度核酸探针及短肽阵列提供了一条快捷的途径。

作原位合成的支持物在聚合反应前要先使其表面衍生出羟基或氨基(视所要固定的分子为核酸或寡肽而定并与保护基建立共价连接;
3.2点样合成:
此方法在多聚物的设计方面与原位合成相似,合成工作用传统的DNA或多肽固相合成仪完成,只是合成后用特殊的自动化微量点样装置将其以比较高的密度涂布于硝酸纤维膜、尼龙膜或玻片上。

作点样用的支持物为使其表面带上正电荷以吸附带负电荷的探针分子,通常需包被以氨基硅烷或多聚赖氨酸等。

4基因芯片技术的应用
4.1 在基础研究中的应用
4.1.1 基因表达分析
同一组织细胞在不同的发育阶段,不同的外界环境因素影响下,其基因的表达模式不同,同一个体的不同组织器官的基因表达模式也不同。

如何研究众多基因表达与否及其表达丰度是人们关注的一个焦点问题。

传统的方法一次只能研究某个基因的表达情况,远不能满足这一要求,而基因芯片技术由于具有高并行性、高通量的特点正适合于此研究。

芯片杂交在对基因表达进行分析中能够从很少的样品提供有关基因表达差异表达的信息,对疾病的诊断、治疗和药物筛选有促进作用。

4.1.2基因组测序
基因组测序芯片技术中杂交测序技术和邻堆杂交技术都能进行高效快速的
测序。

基因芯片技术用于测序提出的较早,Chee等利用 135000个探针的阵列对人类线粒体基因组测序,准确率达99%以上。

4.1.3发现新基因
寻找和发现新基因是各学科研究的主要任务之一。

传统的分子生物学方法如差异显示 PCR、代表性差异分析法、消减杂交、抑制性消减杂交等以各自独特的设计策略,有效地发现了许多相关的新基因。

但这些方法大多局限于对单个或几个基因的分析,无法阐明某一生物过程或某一病理生理过程中多基因的复杂作用及其相互调控关系,还存在有如所得序列往往是部分片段、对一些低丰度的基因不易发现、操作步骤繁琐费时、假阳性率较高、重复性差、特异性不高、低通量等不足,且受 PCR、电泳分辨率等条件的限制。

基因芯片技术高通量、高灵敏度、自动快速、并行性的特点,在新基因发现中能克服传统方法的一些不足,能以极少量的样品,自动化地并行分析数以万计的基因在不同时空上的表达模式和变化,能满足多基因参与调控的复杂过程,能以各自不同的研究策略,灵活地设计不同的微阵列来大规模、快速地对成千上万的基因进行平行筛选,找出有差异表达的基因,能大大提高对新基因发现的效率和可能。

基因芯片技术的诸多优点:被检目标 DNA 密度高、样品用量极少、自动化程度高、便于大量筛选新基因等,使得发现新基因的速度大大提高。

Sche na等对T细胞相应与 17 个阵列成分的c DNA 测序发现 3 个新基因。

4.1.4突变体和多态性的检测
基因芯片技术还可规模地检测和分析 DNA 的变异及多态性。

G uo等利用结合在玻璃支持物上的等位基因特异性寡核苷酸(ASO s微阵列建立了简单快速的基因多态性分析方法。

将 ASO s共价固定于玻璃载片上,采用 PCR 扩增基因组 DNA 其一条引物用荧光素标记,另一条引物用生物素标记,分离两条互补的DNA 链,将荧光素标记DNA链与微阵列杂交,通过荧光扫描检测杂交模式,即可测定 PCR 产物存在的多种多态性,该方法对人的酪氨酸酶基因第 4 个外显子内含有的 5 个单碱基突变进行分析,结果显
示单碱基错配与完全匹配的杂交模式非常易于区别。

这种方法可快速、定量地获得基因信息。

4.1.5基因文库作图 :
采用高密度 DNA探针阵列和相应的生化与信息学方法进行基因组文库克隆排序,该方法对基因组文库中每一个克隆,都可以检测出一个特征性序列标记物,而每一对克隆中,在标记物之间相似性基础上,测量其相对重叠部分,利用该重叠信息,即可连续性地将文库排列成重叠图谱。

4.2在医学中的应用
4.2.1 疾病诊断
目前,基因诊断是基因芯片中最具有商业价值的领域。

许多疾病都与基因相关,传统的基因诊断方法往往只能对单个或少数几个基因进行检测,效率低且准确性差,利用基因芯片技术高速、并行、集成化程度高和灵敏度好等特点,可以实现对该疾病的快速、简便、高效的诊断。

4.2.2 药物筛选和药物开发
由于芯片技术具有高通量、大规模、平行性等特点,可以进行新药的筛选,尤其在对中药成分的真伪鉴定及有效成分的筛选、药理研究、化学药物的合成等方面具有重要的作用。

而且用基因芯片作大规模的筛选研究可以省略大量的动物试验,缩短药物筛选所用时间;还可以利用基因芯片技术来寻找药物靶标,查检药物的毒性或副作用,从而在基因组药学领域带动新药的研究和开发。

4.2.3 避免遗传病的发生
目前知道有 600多种遗传病与基因有关,妇女在妊娠早期用 DNA 芯片做基因诊断,可以避免许多遗传疾病的发生。

4.2.4 法医鉴定
在法医学方面,DNA芯片比早先的 DNA 指纹鉴定更进一步,它不仅可以做基因鉴定,而且可以通过 DNA中包含的生命信息描绘生命体的脸形、长相和外貌特征。

此外,基因芯片在病原体诊断、器官移植、细胞抑制方面等方面也有应用。

4.2.5药物研究
基因芯片在药物研发中的作用有以下几个方面:
①人类基因组芯片在一定程度上代替人体靶组织,为待测药物提供了理想
的研究对象;
②芯片可以用来分析代谢途径和信号调节通路。

例如通过研究在某种药物
作用下,机体药物代谢过程相关基因的表达变化,进而对所有上调和下调
的基因的全面研究,能够发现一些新的信号调节通路,这些新的调节通路则为新药开发提供了思路;
③可以确定药物作用相关的靶组织,预测药物的副作用,进而通过对不同
组织的药物选择性试验,使药物的副作用减少到最小程度;
④引导医药开发如疫苗和抗菌素的研发。

使用c DNA 芯片研究发现了脑膜
炎淋球菌在和宿主表皮细胞接触后表达增高的 189个基因,其中4
4%的功能是编码细胞表面蛋白,这项研究成果为开发预防脑膜炎
淋球菌感染的相关疫苗提供了可选择的靶位点;
⑤当传统检测方法难以追踪药物本身或者药物的临床效果显现的间期较长
时,通过基因芯片检测特定被诱导的基因(药品代谢相关的基因,
可以为预知药效及药物临床使用剂量提供一种简便的途径。

4.2.6 疾病的基因诊断
随着基因芯片使用范围的增加,其在疾病的早期诊断、分类、指导预后和寻找致病基因上都有着广泛的应用价值。

在癌症的诊断上,医生们通常依靠检测一些基因和蛋白质的表达变化水平来进行诊断。

通过基因芯片技术对这些基因的检测,可以对以上疾病进行准确的早期诊断。

基因芯片技术还可用于病原菌的鉴定,通过构建多种细菌的抗原决定簇和毒力因子的基因芯片,可以用于诊断临床上不明确的感染性疾病的感染源。

除上述应用外,基因芯片技术还可以应用在新的病原菌的鉴定,流行病学调查及微生物的衍化进程等方面。

4.2.7基因芯片技术在创伤骨科研究领域的应用
骨创伤的修复也涉及多个基因及复杂的信号转导机制l,基因芯片能够同时对多个基因组群的表达进行研究,这一特点使其在骨创伤修复研究中具有其他研究方式所不具备的优势。

在骨的愈合过程中,力学环境、血管发生和成骨作用的相互依赖性亦被Fang等,通过生物芯片技术在基因表达水平加以证实。

而雌激素通过复杂的代谢过程参与骨折愈合过程,对雌激素相关基因的研究是了解这一复杂机制的必要条件。

Hatan。

等[”]对骨折愈合过程中的雌激素相关基因进行表达谱分析,发现有52个相关基因在卵巢切除的大鼠中下调,但在给子雌激素后恢熨其中尿激酶纤溶酶原激活子在骨折大鼠模型的软骨与骨连接部位有-活化软骨细胞和破软骨细胞的功能,提示u一PA在愈合组织的再吸收和改建过程中具有重要的作用。

4.2.8基因芯片技术在输血医学中的应用
基因芯片技术的快速发展,对输血医学事业发展产生巨大的影响,其应用潜
力将给21世纪的输血医学事业带来历史性的变化。

基因芯片技术现在已应用于医学各个领域。

基因芯片技术在输血医学中的应用,包括血液制品的病毒性指标的检测与保存、血型鉴定、血液成分单采、输血相关性疾病诊断与治疗以及目前存在的问题。

如:利用基因芯片技术进行血液不同血型间的转化,甚至“创造”新血型。

对最常见的红细胞ABO血型系统来说,应用基因芯片检测出不同血型间基因差别,再通过基因芯片技术进行必要的“剪切”和“装配”,使其转变为所需要的血型。

4.2.9 中药的鉴定
中药材通常经过处理而成为干药材,一般凭性状辨别不同的类别,有时连专
家也感到困难。

尤其是要鉴别外观类似但药性及价值均差别很大的草本药材,更为棘手。

若能将基因芯片技术用于中药的鉴别相信可以解决一些难题。

利用这一技术的前提是应用分子生物学技术找出待鉴定中药的特定寡核苷酸序列,并将其
集成在芯片上。

然后提取样本DNA进行扩增,荧光标记后与芯片杂交。

若样本中存在与之互补的序列即可检测出来。

李绍平等人将川贝母5SrRNA的一段特异序列做为探针制成芯片,用该芯片能准确地鉴定出真正的高效低毒、价格昂贵的川贝母。

基因芯片还可用于药用植物种属的验证。

这种检测的方法与上述方法不同,是将针对药用植物不同种属某基因多态性片段的寡核苷酸探针全部集成于芯片上,并设计特异引物,将来自于不同种属的PCR产物与芯片杂交,即得到结果。

4.2.10基因芯片技术在中药中的应用研究进展
基因芯片技术是一种高通量筛选的研究手段,可以在同一时刻对成千上万个基因的表达情况进行分析"在药物研究领域中,基因芯片通过检测药物对生物体中基因表达水平的影响,可从整个生物分子途径来对药物药理和毒理等方面进行评价"传统中药在中国使用有上千年的历史,将这一新兴技术结合到古老中药的研究中去,在中药现代化的进程中将是一件很有意义的尝试"近年来,国内外已有多家研究机构将基因芯片技术应用到中药有效成分的筛选!药理和毒理机制的阐述及其品质鉴定等领域,并已取得了不少成就"
4.2.11基因芯片在脑创伤研究中的应用
脑创伤极为常见,其伤残率和致死率占全身各部位损伤的首位。

所以,对脑创伤研究的意义犹为突出。

怎样将众多基因的表达与脑创伤病情的发展和预后相联系,
怎样在基因水平上预防和治疗脑创伤及判断预后,成为目前研究的重点。

自基因芯片技术问世以来,已有学者将其应用在脑创伤研究中,并取得一定的进展。

4.2.12基因芯片在中枢神经系统疾病中的应用
后基因组时代网络数据库提供了大量人类表达序列标记。

采用集成大量ESTs 的基因芯片分析样品,能迅速有效地获得基因表达图谱。

通过比较样本基因表达差异、分析基因产物的成分,可以发现新的疾病相关基因或线索,衍生出一些新的研究方向用于中枢神经系统疾病的研究。

有人利用实验室利用基因芯片技术对大鼠脊髓损伤前后基因表达谱进行了研究,发现在胚胎期高表达的膜联蛋白(Annexin II在脊髓损伤后表达显著增高,我们对Annexin II进行了进一步研究。

结果显示Annexin II 蛋白可以显著减轻神经细胞损伤和死亡,作用方式可能是通过抑制磷脂酶入(PLAZ 进行作用。

这些现象表明,Annexin II有希望发展成为一种神经保护药物,减轻初次损伤向再次损伤发展,可用于脊髓损伤治疗。

4.2.13基因芯片在肿瘤治疗方面的应用前景
基因芯片技术通过对肿瘤基因表达谱分析,组成肿瘤基因诊断芯片,研究
肿瘤基因的功能,既可用于肿瘤普查,又能达到早期诊断和早期治疗的目的"基因芯片要成为临床诊断和治疗肿瘤普遍采用的技术仍有一些关键问题需要解决:现阶段芯片检测的灵敏度决定了需要首先扩增模板,而一般采用PCR方法,不可避免带来PCR所具有的局限性"目前采用的荧光标记方法存在检测灵敏度低的问题"芯片杂交的条件高度个体化,难以形成比较统一的!规范的杂交环境,会给应用带来障碍"芯片成本及后期信息处理费用较高"随着生命科学技术的进一步发展,这些问题将会被逐步解决,基因芯片在肿瘤临床治疗中会显示出越来越重要的作用.
4.3 在环境科学领域的应用
基因芯片技术可高效检测由微生物、有机物等引起的污染,对环境污染物进行检测与评价。

同时能够帮助研究人员通过大规模的筛选制备能够治理污染源
的基因产品或寻找到保护基因并制备防治危害的基因工程产品。

它克服了传统生物学技术操作繁杂、自动化程度低,检测效率低等不足,充分利用了生物科学、信息学等当今前沿领域的研究成果,现在已越来越广泛的被应用到多个领域中。

环境科学研究的主要是环境中的物质,尤其是人类活动产生的污染物,及其在环境中的产生、迁移、转变、归宿等过程和运动规律,因此,将生物芯片技术引入环境科学研究中有重大意义。

生物芯片高信息量快速、微型化、自动化、成本低、污染少、用途广等优点,很适应环境学研究中的技术需求,使其在环境科学领域有很好的应用前景。

虽然生物芯片技术在环境领域的应用实例还较少,且其自身还有许多问题亟待解决(如提高芯片的特异性、简化样品制备和标记操作程序、增加信号检测的灵敏度等等,但随着技术的发展与完善,生物芯片技术必将会越来越广泛的应用到环境科学研究的各个领域,给21世纪人类对环境的保护和治理带来一场“革命”。

4.3.1 基因表达的检测
在现在已经明确包括人类、酵母菌及一些细菌等在内的多种生物的全基因序列的条件下,基因芯片依靠其高度密集的核苷酸探针,能够将一种生物所有的基因对应的m RNA 或c DNA 或者该生物的全部 ORF都编排在一张芯片上,从而简便地检测每个基因在不同环境下的转录水平。

整体分析多个基因的表达则能够全面并且非常准确地揭示基因产物和其转录模式之间的关系。

同时,细胞的基因表达产物决定了细胞的生化组成、细胞的构造、调控系统及功能范围,根据已知基因表达产物的特性,基因芯片技术能够全面、动态地了解生活细胞在分子水平的活动。

4.3.2 基因突变点的定位
基因序列的变异是物种间及物种内差异的主要原因,也是疾病状态和正常状态下表型差异的遗传学基础。

利用基因芯片技术对这些突变点的定位、确认及分类是诊断基因疾病的基础。

寡核苷酸芯片对于检测密切相关的变异基因序列有很好的操作性,能够指出变异位点、被代替的核苷酸及变异特性;但不适用于有大的插入、缺失片段的检测以及多态性分析。

4.3.3 序列分析
微小序列芯片是一种搜寻所有可能序列变化的有力工具,它将杂交反应和酶引物扩增反应结合在一起,在杂交反应中以寡核苷酸作为探针,其5′端通过一个末端连接被限制反应,使3′端的自由-OH暴露出来。

引物扩增反应使用了标记的三磷酸双脱氧核苷酸。

杂交反应后,杂交体和寡核苷酸探针分别作为模板和引物,反应后可以在荧光显微镜下观察从3′端伸出的不同长度的双脱氧核苷酸链,以确定目标核苷酸序列。

4.4 基因组及基因的研究
因为基因芯片具有高敏感性和高准确性,近来有研究利用此特性研究酵母基因组的复制活动,通过对酵母基因组在S期上千个位点DNA拷贝数的比较,发现了其复制起点;同时还研究了复制叉在基因组的移动与S期复制和转录活动的关系[12]。

另外,在多种肿瘤的研究中,通过比较肿瘤发生的相关基因的DNA拷贝数,发现了一些新的基因。

4.7 基因芯片技术在病原微生物研究中的应用
4.7.1 基因芯片技术在病毒研究中的应用
4.7.1.1 病毒的分型
基因芯片是基于碱基互补的原理直接对病原体核酸进行检测,将来的诊断芯片有可能同时对所有肝炎病毒进行检测,具有非常大的发展前景[8]"吴海等(2001[9]以HBV!HCV高度保守的基因片段为探针,制备成/乙型!丙型肝炎病毒双检基因芯片0"检测时抽提患者血清中的病毒核酸,同时对不同血清(正常人血清,乙肝E抗原阳性血清,丙肝RNA阳性血清,乙肝!丙肝阳性混合血清能有效检测区分"
4.7.1.2 病毒感染对宿主细胞基因表达的影响
感染人巨细胞病毒HCMV后,宿主细胞的基因表达水平有所改变,利用基因芯片可以检测到mRNA的细微变化,利用病毒DNA芯片,在基因组水平上快速!平行地分
析基因表达,通过病毒基因表达对药物敏感性的动力学观察了解药物的作用机制,可以用于药物筛选和临床治疗"
4.7.1.3 病毒感染的诊断
将病毒的一段高度保守的基因片段,用芯片点样仪点样到包被过的玻璃片上,制备成检测芯片"提取样品中的RNA,进行反转录和荧光标记后滴加到芯片上进
行特异性杂交,对杂交结果进行扫描检测,可同时诊断上述5种动物传染病,此方法不但快速!准确!敏感,而且可同时进行多种病毒的检测"
4.8 基因芯片在食品检测中的应用
4.8.1 细菌检测
基因芯片技术细菌检测,在 PCR基础上的病原检测系统的应用,大大缩短了诊断时间,使那些不能培养或很难培养的细菌也得到快速诊断。

Antho ny等人建立了1个在4h以内致病细菌的快速诊断方法。

他们运用该法对158 例经血培养鉴定为阳性的样品进行检测,结果符合率为 79.9%Carl等在对4种细菌,即大肠埃希菌、痢疾杆菌、伤寒杆菌、空肠弯曲菌采用了基因芯片的检测方法,其检测结果不仅敏感度高于传统方法,且操作简单,重复性好,并节省了大量时间,大大提高了4种细菌诊断效率。

选择从水、食品和临床样品中分离有关致病菌或卫生指标菌,并以沙门菌、志贺菌和大肠埃希菌的标准菌株作对照,观察基因芯片检测致病菌的敏感性、特异性,并与常规检测方法、PCR检测方法作对比。

结果表明,采用基因芯片技术几乎可以检测上述所有的细菌,检测结果与传统方法符合率为98%,与PCR 检测结果的一致性为96.3%。

基因芯片技术检测时间约4h;而PCR 检测需要8h;传统的方法需要
25d。

基因芯片技术引入微生物检测领域为建立快捷高效的检测方法提供了技术平台,用于食品、水质中常见细菌、霉菌检测的基因芯片已经问世
4.8.2 病毒的检测。