基因芯片的应用

基因芯片技术的应用

概述：随着功能基因组学研究的不断深入，迫切需要能同时检测大量靶基因表达的手段，迅速准确地在基因组水平上阐述不同生物组织或细胞中各种转录本的变化规律。基因芯片（gene chip）,又称DNA微列阵（DNA microarray）技术就是在这种情况下应运而生的。本文介绍基因芯片的历史和应用。

一、认识基因芯片技术

（一）基因芯片技术发展历史

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。在这些技术储备的基础上，1994年在美国能源部防御研究计划署、俄罗斯科学院和俄罗斯人类基因组计划1000多万美元的资助下研制出了一种生物芯片，并用于检测尽地中海病人血样的基因突变，筛选了一百多个外地中海贫血已知的突变基因。这种生物芯片的基因译码速度比传统的Sanger和Maxax Gilbert法快1000倍，是一种有希望的快速测序方法。1996年底，美国旧金山AFFYM ATRIX公司Steven Fodor等充分结合并灵活运用了照相平板印刷、计算机、半导体、激光共聚焦扫描、寡糖苷酸DNA合成、荧光标记探针杂交及分子生物学的其他技术，创造了世界上第一块DNA芯片或DNA列阵（DNA chip or DNA arrays），即基因芯片。

（二）基因芯片技术原理

基因芯片是一种小型分析装置，能够快速和精确地研究生物基因组信息。制作基因芯片时，可用机械臂把大量已知或未知序列的DNA片段点在玻璃片（通常为2cm×2cm）、金属片或尼龙膜上，再经过物理吸附作用达到固定化（cDNA芯片）。也可以直接在玻璃板或金属表面进行化学合成，从而得到寡聚核苷酸芯片。将芯片与待研究的cDNA或其他样品杂交，经过计算机扫描和数据处理，便可以观察到成千上万个基因在不同组织或同一组织不同发育时期或不同生理条件下的表达调控情况。荧光标记的cDNA与芯片上相匹配的DNA序列发生杂交反应，是的芯片上的点呈现出荧光信号，荧光信号的强度和基因表达的多度呈正相关。基因芯片这种微型化装置具有巨大的容量，是科学家在单次试验中就可以分析整个基因组的变化。

（三）几种基因芯片的点制过程

1.简易芯片

制作简易芯片时，使用机械臂把大量已知或未知序列的DNA片段点在一张很小的玻璃片（通常为2cm×2cm）或尼龙膜上，再经过物理吸附作用达到固定化（cDNA芯片）。也可以直接在玻璃板表面进行化学合成，从而得到寡聚核苷酸芯片。将芯片与待研究的cDNA或其他样品杂交，经过计算机扫描和数据处理，便可以观察到大规模的基因群在不同组织、同一组织不同发育时期或不同生理条件下的表达基因调控情况。简易芯片一般的基因数量少（一般不超过2000），主要用于研究小部分特定基因的表达状态。简易芯片一般可以用于手工制作或者机械手点样。

2.大规模基因芯片

大规模基因芯片通常涉及基因组规模与数量（一般大于10000个基因），分别采用接触式点样、非接触式点样或者半导体技术制备样品。接触式点样方法包括点样元件或点样元件中的液体和芯片基片间有直接接触的各种方法。非接触式芯片制备方法包括各种芯片制备中不需点样元件和芯片基片间直接接触的各种技术，其样头的核心是以可控的方式从喷嘴中喷出小

体积的液滴。半导体制备技术指借鉴计算机芯片制造业中的微型化加工方法的基因芯片制备技术。基因芯片的工作流程如下：

（1）经大规模PCR扩增获得独立cDNA插入片段。

（2）用机械手将PCR产物点在玻璃板上，变性、固定。

（3）分别从不同器官或组织中分离mRNA，反转录生成cDNA。

（4）用不同的荧光染料标记不同器官或组织的cDNA。

（5）将标记好的cDNA与点好的芯片进行杂交。

（6）激光扫描芯片杂交结果，计算机处理。

（7）分析杂交数据。

3.微珠芯片技术

微珠芯片技术（beadarray）技术是一种新的基因芯片技术，有可能成为今后基因芯片技术发展的方向。目前，微珠芯片技术在生命科学领域的用途主要集中在SNP及基因型分析、基因表达谱分析和蛋白组学研究三大领域。微珠芯片技术是在光导纤维技术基础上发展起来的技术。在直径为3.5mm的光纤束中，包含约50000跟光纤。在每根光纤的顶部蚀刻出一个小洞，可镶嵌直径为3um的微磁珠。每个微磁珠上可以根据不同的需求连接不同的配体，如寡核苷酸、蛋白质、抗体等。制作芯片时，将带有所需配体的不同微磁珠混合后与光纤束进行自组装，通过微珠上寡核苷酸标签序列（address）确认每根光线上所吸附的不同的微珠。现有微珠芯片上每束光纤可镶嵌1536种微珠，因此，每种微珠在一束光纤中有30次重复。结合在微珠上的寡核苷酸或者蛋白可与荧光标记的配对核酸或配体发生相互作用，发生的信号被激发后通过光纤传递到检测器。

与其他芯片制作技术相比较，微珠芯片具有如下优势:

(1)密度高微珠芯片的点样密度是原位光合成法的16倍，喷点法的100倍，接触式点样的

400倍。

(2)测试重复性好鉴于超高密度的特点，微珠芯片中每个样品都能保证约30个重复，从而

保证测试的高重复性、高重复率以及高可靠性。

(3)定制方便若需要在已完成的芯片中增加测试点或新基因，只要合成相应的微珠加入到

微珠混合池中即可。

（四）基因芯片数据分析

基因芯片分析包括五个基本步骤：生物学问题、样品制备、生物化学反应、检测、数据模型分析。基因芯片数据分析包括两部分，数据可靠性分析和生物学意义分析。

1. 数据可靠分析

因为用基因芯片进行杂交分析，每次实验结果都会有些变化，因为包括靶DNA浓度、探针浓度、杂交双方的序列组成、盐浓度以及温度等许多因素影响了杂合双链的形成和稳定性。因此，需要进行重复试验以确保数据的准确。主要的方法是通过两次平行杂交反应，将每个基因在两个反应中的表达水平做成对应散点图，只要绝大多数基因的杂交结果都在45度斜线附近，就说明实验结果是可的。

为了保证基因芯片数据的可靠性，芯片中还需加上多个持家基因（housekeeping genes）作为内对照。持家基因，如呼吸作用的酶类和细胞骨架蛋白基因等，是维持细胞正常生长发育的必须基因，其表达水平在细胞内基本不变。处理数据时，认为持家基因的反应信号在两种组织中不变，依此确定其他基因表达信号的相对值。

2. 生物学意义分析

主要指通过分析芯片杂交数据，研究差异表达基因的生物学意义。通常，在芯片中某一器官或发育时期可能有成千上万个差异表达基因。例如，基因芯片分析植物根部可能有400多个特意表达的基因，如果要将这些基因的来龙去脉都搞清楚，可能要追溯超过4000篇以上