第一讲基因芯片概述

genes
31,000 13,500 19,000
6,315 5,361
基因组学（genomics）
基因组学就是发展和应用DNA制图、测序新技术以 及计算机程序，结合多种生命科学研究手段，全面 分析生命体基因组结构及功能。
基因组学分为两个阶段，即HGP、功能基因组学。 HGP：制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终
生物芯片技术(DNA芯片、毛细管电泳芯片、 PCR芯片)不仅可用于DNA序列测定，更适 合基因组或成千上万个基因表达分析，研 究特殊阶段、环境、状态下细胞或组织在 转录水平的表达谱。
药物基因组学(pharmacogenomics)
1997年6月28日金赛特（巴黎）可伯特实验室宣布 成立世界上第一个独特的基因与制药公司，研究 基因变异所致的不同疾病对药物的不同反应，并 在此基础上研制出新药或新的用药方法，这一新 概念被称为药物基因组学， 实现了基因功能学与 分子药理学的有机结合。
完成人类和其他重要模式生物全部基因组DNA序列 测定
功能基因组学：详尽分析序列，描述基因组所有基 因的功能，包括研究基因的表达及其调控，如比较 基因组，药物基因组，基因多态性基因组，环境基 因组学，蛋白组学等
转录组学(transcriptomics)
转录组就是指一个细胞内的一套mRNA转 录物。与基因组的概念不同，转录组的定 义中包含了时间和空间的限定。同一细胞 在不同的生长周期，在不同的生长条件下， 其基因表达情况是不完全相同的。
生物芯片的特点
在面积不大的基片上有序地点阵排列了一 系列固定于一定位置、可寻址和识别的生 物分子
微电子学的并行处理和高密度集成的特点， 可对生物分子进行快速并行处理
高通量，高信息量、快速、自动化
生物芯片与“组学”研究
生物学过程是许多分子相互作用的结果，需要知
道“whole picture”：组学特征；各种组学研究
Source: GenBank There are approximately 85,759,586,764 bases in 82,853,685 sequence records in the traditional GenBank divisions and 108,635,736,141 bases in 27,439,206 sequence records in the WGS division as of February 2008.
基因芯片是生物芯片的代表
基因芯片发展历史
Southern & Northern Blot Dot Blot
Macroarray
Microarray
基因芯片的标志性事件
Affymetrix公司在20世纪80年代末到九十年 代初率先开始研究。1991年，在1cm2左右的 玻璃片上原位合成寡核苷酸片段，诞生世 界上首张寡核苷酸芯片。
应运而生：基因组学，转录组学，蛋白组学，代 谢组学，药物基因组学等等 基因组序列的可获得性 计算机辅助的可能性 微电子学、物理学、化学、计算机科学与生命科 学交叉综合的高科技技术
生物芯片在组学研究极具优势
growth of biological databases
GenBank basepair growth
基于基因组的单核苷酸多态性（single-nucleotide polymorphisms,SNPs）等遗传标志，以及基因表 达。
药物基因组学
不以发现基因为主要目的，而是相对简单地运用 已知的基因理论改善病人的治疗。
以药物效应及安全性为目标，研究各种基因突变/ 变异与药效及安全性的关系。
将DNA芯片技术应用于药物基因组学，进行基因 功能及其多态性的研究，以确认与药物效应及药 物吸收、代谢、排泄等相关的基因，并查明这些 基因的多态性，鉴定一系列的全新的药物效应基 因（drug-response gene）。
160,000,000,000 139,000,000,000 81,300,000,000 20,600,000,000 8,000,000,000 3,523,200,000 3,454,200,000 3,400,000,000 137,000,000 96,000,000 12,000,000 5,000,000
growth of biologicalHale Waihona Puke Baidudatabases
3D structures growth
http://www.rcsb.org/pdb/holdings.html
基因组大小
FERN LUNGFISH SALAMANDER NEWT ONION GORILLA MOUSE HUMAN Drosophila C. Elegans Yeast E. Coli
生物芯片借用了计算机芯片的集成化的特点，把生物活性 大分子（目前主要是核酸和蛋白质）或细胞等，密集排列 固定在固相载体上，形成微型的检测器件，固相载体通常 是硅片、玻片、聚丙烯或尼龙膜等，因此狭义的生物芯片 也称微阵列芯片，主要包括cDNA、寡核苷酸、蛋白质、细 胞和组织微阵列。
广义的生物芯片是指能对生物成分或生物分子进行快速并 行处理和分析的厘米见方的固体薄型器件，将微阵列技术 与生物微机电技术相结合，通过微加工和微电子技术在固 体基片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、 蛋白质、DNA 以及其他生物组分的准确、快速、大信息量 的检测。
百万 4,000
3,841
3,500
3,000 2,500
2,009
2,000 1,500 1,000
500
1,160
652 385 1 2 3 5 10 16 24 35 49 72 101 157 217
0
82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99
94年俄罗斯研制出一种基因芯片，用于检 测β-地中海贫血病人血样的基因突变，筛选 了100多个β-地中海贫血已知的基因突变。
95年，第一块以玻璃为载体的微矩阵cDNA 微阵列在斯坦福大学P.O.Brown实验室诞生。
生物芯片的概念
生物芯片是泛指利用微电子技术和微加工技术在硅，玻璃 和高分子材料等基底材料上制作的，用以执行生物样品分 析，临床诊断，环境监测，卫生检疫，法医鉴定，生化武 器防御，新药开发等用途的微型化精密器件。