生物信息學(xué)在基因芯片中的應(yīng)用

1、1 l生物信息學(xué)和基因芯片是生命科學(xué)研究 領(lǐng)域中的兩種新方法和新技術(shù)，生物信 息學(xué)與基因芯片密切相關(guān)，生物信息學(xué) 促進了基因芯片的研究與應(yīng)用，而基因 芯片則豐富了生物信息學(xué)的研究內(nèi)容。 2 、基因芯片簡介 3 （）基因芯片的基本原理及生物信息學(xué)的作用（）基因芯片的基本原理及生物信息學(xué)的作用 l基因芯片（genechip），又稱DNA微陣列 （microarray），把大量已知DNA或寡核苷酸 探針密集排列形成的探針陣列，并將經(jīng)過標記 的若干靶核酸序列（樣品）通過與芯片特定位 置上的探針雜交，便可根 據(jù)堿基互補匹配的原理確 定樣本的基因序列、基因 表達信息等。 4 基因芯片 熒光標記的樣品 共聚

2、焦顯微鏡 獲取熒光圖象 雜交結(jié)果分析 探 針 設(shè) 計 雜交 5 基因芯片技術(shù)流程圖基因芯片技術(shù)流程圖 芯片制作芯片制作樣品的制備樣品的制備 顯微光蝕刻顯微光蝕刻 壓電打印壓電打印 分子打印分子打印 原位合成芯片原位合成芯片 探針設(shè)計與制備探針設(shè)計與制備支持物預(yù)處理支持物預(yù)處理 探針打印探針打印 探針固化探針固化 DNA微集陣列微集陣列 樣品核酸的樣品核酸的 提取與純化提取與純化 擴增與標記擴增與標記 標記樣品標記樣品 的純化的純化 雜交及雜交后清洗雜交及雜交后清洗 掃描與分析掃描與分析 6 l根據(jù)探針的類型和長度，基因芯片可分為 兩類。 l其中一類是較長的DNA探針（100mer） 芯片 這類

3、芯片的探針往往是PCR的產(chǎn)物，通過點樣 方法將探針固定在芯片上，主要用于RNA的 表達分析。 l另一類是短的寡核苷酸探針芯片 其探針長度為25 mer左右，一般通過在片（原 位）合成方法得到，這類芯片既可用于RNA 的表達監(jiān)控，也可以用于核酸序列分析。 7 8 l載體材料要求： l載體表面必須具有可以進行化學(xué)反應(yīng)的活性基 團，以便與生物分子進行偶聯(lián)。 l使單位載體上結(jié)合的生物分子達到最佳容量。 l載體應(yīng)當(dāng)是惰性的和有足夠的穩(wěn)定性，包括機 械的、物理的和化學(xué)的穩(wěn)定性。 l惰性惰性:是指載體的其他性能或特異性吸附都不應(yīng)該 干擾生物分子的功能。 l穩(wěn)定性穩(wěn)定性:是指在進行分子雜交或結(jié)合時，可能遭受

4、一定的壓力或酸、堿條件而不發(fā)生變化。 （2）基因芯片制備）基因芯片制備 9 l實性材料 硅芯片、玻片和瓷片等。 l膜性材料 聚丙烯膜、尼龍膜、硝酸纖維素膜等。 10 l支持物（載體）的預(yù)處理原因： l支持物表面上要有一種合適的功能基團以連接探針，并使 探針穩(wěn)定地固定于支持物表面，以防止雜交后清洗時被洗 脫。經(jīng)處理后其表面衍生出氨基、醛基、異硫氰酸基及環(huán) 氧基團。這些活性基團可與DNA分子中的磷酸基、氨基、 羥基等基團形成離子鍵或共價結(jié)合而使打印在上面的DNA 牢固地固定在支持物表面。 l支持物表面經(jīng)處理后，可減少親水性探針在其表面的擴散， 因而提高了點陣密度。 11 l一是玻片來源方便，經(jīng)表面

5、處理后可結(jié)合多種分 子； l二是適合光學(xué)檢測要求。 l此外玻片還具有其它材料所不能比擬的優(yōu)點： 玻片是一種耐用的材料，可在高溫及用高離子強度溶液 清洗； 玻片是非孔性材料，因此雜交體積可以減至最小，從而 加快了探針與靶基因片段之間雜交和退火的動力學(xué)過程； 玻片的熒光信號本底低，背景干擾小 12 l基因芯片的制備主要有兩種基本方法基因芯片的制備主要有兩種基本方法: l一是在片合成法一是在片合成法: 在片合成法是基于組合化學(xué)的合成原理,它通 過一組定位模板來決定基片表面上不同化學(xué) 單體的偶聯(lián)位點和次序。在片合成法制備 DNA芯片的關(guān)鍵是高空間分辨率的模板定位 技術(shù)和固相合成化學(xué)技術(shù)的精巧結(jié)合。 1

6、3 l美國Affymetrix公司開發(fā)的寡聚核苷酸原位 光刻DNA合成技術(shù)： l 采用的技術(shù)原理是在合成堿基單體的5羥基末端 連上一個光敏保護基，利用光照射使羥基端脫保護， 然后逐個將5端保護的核苷酸單體連接上去，這個 過程反復(fù)進行直至合成完畢。此方法的優(yōu)點是合成 循環(huán)中探針數(shù)目呈指數(shù)增長。 14 15 l另一種方法是點樣法另一種方法是點樣法: 基因芯片點樣法首先按常規(guī)方法制備cDNA （或寡核苷酸）探針庫，然后通過特殊的針頭 和微噴頭, 分別把不同的探針溶液，逐點分配在 玻璃、尼龍或者其它固相基底表面上不同位點, 并通過物理和化學(xué)的結(jié)合使探針被固定于芯片 的相應(yīng)位點。 16 （）靶基因樣品的

7、制備及芯片雜交（）靶基因樣品的制備及芯片雜交 l樣品的準備過程包括從組織、細胞中分離純 化核酸樣品，以及對待測樣品中的靶基因進 行特異性擴增。在擴增過程中，將耦聯(lián)了熒 光染料(Cy3、Cy5等)的核苷酸摻入到擴增產(chǎn) 物中，對靶基因進行標記。 17 l 經(jīng)熒光樣品雜交后的芯片，熒光信號 可經(jīng)過熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡 或激光掃描儀等進行信號的收集。收集 后的信號，經(jīng)過計算機處理，并與探針 陣列的位點進行比較，可得出雜交的檢 測結(jié)果。 18 l微型化和自動化微型化和自動化 l現(xiàn)已出現(xiàn)的芯片面積最大不過525cm,最小僅有1cm；每個 陣列中陣點樣品DNA的用量僅為0.5g/L左右；同時雜交和

8、洗片等過程都可實現(xiàn)自動化,工作效率大幅度提高。 l高度平行性高度平行性 l基因芯片技術(shù)是將待研究的基因制作成芯片,并在同一張芯 片上同時對實驗組和對照組材料進行雜交分析,從而使實驗 結(jié)果具有可比性。 l巨大的信息產(chǎn)出率巨大的信息產(chǎn)出率 l在一張芯片上不僅可以獲得組織、細胞、血液等基因表達 信號的定性、定量分析，還可實現(xiàn)全局檢測靜態(tài)到動態(tài)、 時間與空間上的差異及遺傳信息。 19 l高度敏感性和專一性高度敏感性和專一性 l能可靠并準確檢測出10 pg/L的DNA樣品。 l高度重復(fù)性高度重復(fù)性 l一張由尼龍膜制作的微陣列，可以重復(fù)雜交使用多達20次。 l強大的類比性強大的類比性 l使得以往需多次處理

9、的遺傳分析在同一時間和條件下快速 完成。 l哺育新的實驗方法哺育新的實驗方法 l此技術(shù)易與其它常規(guī)生物技術(shù)相融合交叉?；蛐酒@些 獨一無二的特點也代表了后基因組時代技術(shù)的發(fā)展方向。 20 l在生命科學(xué)領(lǐng)域中，基因芯片為分子生物學(xué)、 生物醫(yī)學(xué)等研究提供了強有力的手段。 l利用基因芯片技術(shù)，可研究生命體系中不同 部位、不同生長發(fā)育階段的基因表達，比較 不同個體或物種之間的基因表達，比較正常 和疾病狀態(tài)下基因及其表達的差異。 l基因芯片技術(shù)也有助于研究不同層次的多基 因協(xié)同作用的生命過程，發(fā)現(xiàn)新的基因功能， 研究生物體在進化、發(fā)育、遺傳過程中的規(guī) 律。 21 提取什么信息提取什么信息 如何提取信息

10、如何提取信息 如何處理和利用信息如何處理和利用信息 確定芯片檢測目標確定芯片檢測目標 芯片設(shè)計芯片設(shè)計 數(shù)據(jù)管理與分析數(shù)據(jù)管理與分析 22 l生物信息學(xué)在基因芯片中的應(yīng)用主要體 現(xiàn)在三個方面: 確定芯片檢測目標 芯片設(shè)計 實驗數(shù)據(jù)管理與分析 23 l在基因芯片信息學(xué)方面要解決以下幾個 關(guān)鍵的問題: 第一是芯片設(shè)計問題 第二是可靠性分析問題 第三是數(shù)據(jù)挖掘問題 24 、基因芯片設(shè)計的一般性原則、基因芯片設(shè)計的一般性原則 l基因芯片設(shè)計主要包括兩個方面: l(1)探針的設(shè)計 指如何選擇芯片上的探針 l(2)探針在芯片上的布局 指如何將探針排布在芯片上。 25 l確定芯片所要檢測的目標對象確定芯片所

11、要檢測的目標對象 查詢生物分子數(shù)據(jù)庫查詢生物分子數(shù)據(jù)庫 取得相應(yīng)的取得相應(yīng)的DNA序列數(shù)據(jù)序列數(shù)據(jù) 序列對比分析序列對比分析 找出特征序列，作為芯片設(shè)計的參照序列。找出特征序列，作為芯片設(shè)計的參照序列。 26 l在進行探針設(shè)計和布局時必須考慮以下在進行探針設(shè)計和布局時必須考慮以下 幾個方面：幾個方面： (1)互補性 (2)敏感性和特異性 (3)容錯性 (4)可靠性 (5)可控性 (6)可讀性 27 l對于DNA序列變異分析，最基本的要求是 能夠檢測出發(fā)生變異的位置，進一步的要 求是能夠發(fā)現(xiàn)發(fā)生了什么樣的變化。 l從雜交的單堿基錯配辨別能力來看，當(dāng)錯 配出現(xiàn)在探針中心時，辨別能力強，而當(dāng) 錯配出

12、現(xiàn)在探針兩端時，辨別能力非常弱。 所以，在設(shè)計檢測DNA序列變異的探針時， 檢測變化點應(yīng)該對應(yīng)于探針的中心，以得 到最大的分辨率。 28 lcDNA芯片設(shè)計的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)庫的建立 和數(shù)據(jù)庫信息的利用以及各種文庫的建 立。 lcDNA芯片制備方法一般采用點樣法，多 用于基因表達的監(jiān)控和分析。 l寡核苷酸芯片制備一般采用在片合成方 法。優(yōu)化是寡核苷酸芯片設(shè)計的一個重 要環(huán)節(jié)，包括探針的優(yōu)化和整個芯片設(shè) 計結(jié)果的優(yōu)化。 29 4、基因芯片優(yōu)化、基因芯片優(yōu)化 l高密度寡核苷酸芯片設(shè)計的結(jié)果是形成芯片合 成方案和步驟，產(chǎn)生制作掩膜板的CAD文件。 高密度基因芯片制備的一個關(guān)鍵是掩膜板技術(shù)， 利用掩膜板進

13、行定位并控制探針的在片合成， 從而得到很高的探針密度。 l但是制作掩膜板的代價較高，為了盡可能地提 高基因芯片制備效率，需要對設(shè)計好的基因芯 片進行優(yōu)化，以減少制備芯片所需要的掩膜板 個數(shù)，同時也減少芯片探針循環(huán)合成次數(shù)，這 對于基因芯片應(yīng)用有著重要的意義。 30 31 32 33 、測定未知序列 l 早期基于芯片雜交的序列分析實驗中， 芯片上的探針是長度為k（一般為8）的 所有寡核苷酸的組合。這是一種完備的 探針集合，根據(jù)互補關(guān)系，通過各個探 針的雜交結(jié)果確定DNA靶序列中存在的 所有k長度片段，形成靶序列的k長度片 段譜，然后根據(jù)這些片段重構(gòu)靶序列。 34 35 l 在同一塊芯片上設(shè)計多組

14、探針，每一組 探針分別檢測一條目標序列，探針的長 度在20到30之間。一般要求同一組探針 之間相互獨立，盡可能不重疊或少重疊， 以提高探針的敏感性和特異性。 36 有兩種方法可以進行已知突變點的分析: l一種方法是對于目標序列上已知的突變點，以 該點為中心，從目標序列選取一個片段，作為 設(shè)計探針的參考序列。根據(jù)參考序列，分別設(shè) 計四個高度特異的探針，這四個探針除中心位 置外均相同并與參考序列互補 l 另一種方法是對于目標序列上已知的突變點， 分別設(shè)計四組探針，其中每一組探針分別檢測 一種核苷酸替換。同一組中的各個探針長度相 同，相互之間交疊，并且每個探針均覆蓋對應(yīng) 的突變點。 37 38 l為

15、了進行SNPs研究，發(fā)現(xiàn)目標序列上可 能出現(xiàn)的變化，最直接的方法就是根據(jù) 已知的目標序列設(shè)計一系列寡核苷酸探 針，其中每一個探針用于檢測目標序列 特定位置上的核苷酸是否發(fā)生變化，探 察位置位于探針的中心。這種方法又稱 等長等覆蓋移位法 39 l 第二種方法為單核苷酸分析法。針對目標序列每第二種方法為單核苷酸分析法。針對目標序列每 個位置上所有可能出現(xiàn)的變化設(shè)計相應(yīng)的探針。個位置上所有可能出現(xiàn)的變化設(shè)計相應(yīng)的探針。 40 、基因表達分析 l基因表達是根據(jù)基因的DNA模板進行 mRNA和蛋白質(zhì)合成的過程，各種基因 的表達存在差異，一種組織中基因表達 水平的差異可達1萬倍。功能基因研究的 一種重要的

16、方法就是采用高通量基因表 達檢測技術(shù)，全面分析基因的表達水平， 了解基因的功能。 41 l基于芯片的表達監(jiān)控實驗產(chǎn)生大量的數(shù) 據(jù)，在這些數(shù)據(jù)背后隱藏著豐富的基因 相互作用、基因功能信息，需要通過細 致的數(shù)據(jù)分析揭示這些信息，得到有益 的結(jié)果 l這種根據(jù)基因芯片獲得的新的表達圖譜 有別于以前的物理圖和功能圖，它能夠 更為直接地揭示基因組中各基因相互關(guān) 系。 42 3、尋找基因功能、尋找基因功能 l DeRisi等應(yīng)用酵母cDNA基因芯片研究在有絲 分裂和孢子狀態(tài)下基因轉(zhuǎn)錄和表達水平的差異。 lAffymetrix公司制備的酵母基因表達型芯片， 包括酵母基因組開放讀碼框中的260 000個 25m

17、er探針陣列。Wodicka 等采用這種基因芯 片對不同生活狀態(tài)下酵母細胞的基因表達進行 了研究。 43 、熒光檢測圖像處理 l基因芯片與樣本雜交以后，用圖像掃描 儀器捕獲芯片上的熒光圖像。在計算機 中，一幅圖像由二維象素點所組成，通 常用一個8-bit的整數(shù)存貯象素點的灰度 值，取值范圍為0,255，其中0代表 “黑”，255代表“白”。 44 l一個理想的基因芯片圖像具有以下幾 個性質(zhì)： （1）芯片單元的形狀和尺寸相同； （2）每個單元的中心位于象素點上； （3）無灰塵等引起的噪聲信號； （4）最小和均勻的圖像背景強度。 45 網(wǎng)格定位結(jié)果 46 l如果芯片檢測的目的是測定樣本序列，則 需

18、要根據(jù)芯片上每個探針的雜交結(jié)果判斷 樣本中是否含有對應(yīng)的互補序列片段，并 利用生物信息學(xué)中的片段組裝算法連接各 個片段，形成更長的目標序列。 47 l如果芯片檢測的目的是進行序列變異分 析，則要根據(jù)全匹配探針以及錯配探針 在基因芯片對應(yīng)位置上的熒光信號強度， 給出序列變化的位點，并指明發(fā)生什么 變化。 48 l如果芯片檢測的目的是進行基因表達分 析，則需要給出芯片上各個基因的表達 圖譜，定量描述基因的表達水平，進一 步的分析還包括根據(jù)基因表達模式進行 聚類，尋找基因之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)協(xié) 同工作的基因 49 可靠性分析可以從兩個方面進行： l一是根據(jù)實驗統(tǒng)計誤差（如探針合成的 錯誤率、全匹配探針

19、與錯配探針的誤識 率等），計算出基因芯片最終實驗結(jié)果 的可靠性。 l二是對基因芯片與樣本序列雜交過程進 行分子動力學(xué)研究，建立芯片雜交過程 的計算機仿真實驗?zāi)Ｐ停员阍谥谱餍?片之前分析所設(shè)計芯片的性能，預(yù)測芯 片實驗結(jié)果的可靠性。 50 l基因芯片數(shù)據(jù)分析包括實驗數(shù)據(jù)管理、 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)處理等 l進一步將基因芯片實驗數(shù)據(jù)與公共數(shù)據(jù) 庫中的信息相關(guān)聯(lián)，利用數(shù)據(jù)挖掘方法 進行分析處理，揭示各種數(shù)據(jù)之間的關(guān) 系，發(fā)現(xiàn)新的生物學(xué)知識。 51 、芯片信息管理 l目前已出現(xiàn)一些芯片信息管理數(shù)據(jù)庫， 這些數(shù)據(jù)庫主要收集、管理表達型基因 芯片的實驗數(shù)據(jù)。與基因芯片相關(guān)的信 息包括芯片功能的描述、芯片的

20、描述、 實驗對象的描述、實驗結(jié)果和分析結(jié)果 的描述。 52 l以基因表達型芯片為例，數(shù)據(jù)庫至少含 有下列信息： (1)數(shù)據(jù)來源 (2)雜交目標序列 (3)目標對象 (4)mRNA轉(zhuǎn)錄的數(shù)量 (5)統(tǒng)計的顯著性 53 l基因組信息是相互關(guān)聯(lián)的，合理地解釋 實驗檢測數(shù)據(jù)依賴于將實驗數(shù)據(jù)與其它 相關(guān)數(shù)據(jù)庫的集成。 l對于基因表達數(shù)據(jù)，通過用戶定義的或 缺省的標準進行數(shù)據(jù)鏈接，經(jīng)分析可以 得到關(guān)于基因調(diào)控的概貌。 54 第七節(jié)、基因芯片的應(yīng)用第七節(jié)、基因芯片的應(yīng)用 l基因表達分析：基因表達分析： l人類基因組編碼大約人類基因組編碼大約30,000 個不同的基因，僅掌握基因個不同的基因，僅掌握基因 序列

21、信息資料，要理解其基序列信息資料，要理解其基 因功能是遠遠不夠的。因功能是遠遠不夠的。 l因此，具有監(jiān)測大量因此，具有監(jiān)測大量mRNA 的實驗工具很重要?；蛐镜膶嶒灩ぞ吆苤匾；蛐?片技術(shù)可清楚地直接快速地片技術(shù)可清楚地直接快速地 檢測出以檢測出以1:300,000水平出現(xiàn)水平出現(xiàn) 的的mRNA，且易于同時監(jiān)測，且易于同時監(jiān)測 成千上萬的基因。成千上萬的基因。 55 l雜交測序：雜交測序： l芯片技術(shù)中雜交測序芯片技術(shù)中雜交測序(sequencing by hybridization， SBH)技術(shù)是一種新的高效快速測序方法。技術(shù)是一種新的高效快速測序方法。 l用含用含65,536個個8聚

22、寡核苷酸的微陣列，采用聚寡核苷酸的微陣列，采用SBH技技 術(shù)，可測定術(shù)，可測定200bp長長DNA序列。采用序列。采用67,108,864個個 13聚寡核苷酸的微陣列，可對數(shù)千個堿基長的聚寡核苷酸的微陣列，可對數(shù)千個堿基長的 DNA測序。測序。SBH技術(shù)的效率隨著微陣列中寡核苷技術(shù)的效率隨著微陣列中寡核苷 酸數(shù)量與長度的增加而提高，但微陣列中寡核苷酸數(shù)量與長度的增加而提高，但微陣列中寡核苷 酸數(shù)量與長度的增加則提高了微陣列的復(fù)雜性，酸數(shù)量與長度的增加則提高了微陣列的復(fù)雜性， 降低了雜交準確性。降低了雜交準確性。 56 l疾病的診斷與治療：疾病的診斷與治療： l基因芯片在感染性疾病、遺傳性疾病和

23、腫瘤等疾病的臨床基因芯片在感染性疾病、遺傳性疾病和腫瘤等疾病的臨床 診斷方面具有獨特的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)檢測方法相比：診斷方面具有獨特的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)檢測方法相比： l它可以在一張芯片同時對多個病人進行多種疾病的檢測；它可以在一張芯片同時對多個病人進行多種疾病的檢測； l無需機體免疫應(yīng)答反應(yīng)，能及早診斷，待測樣品用量??；無需機體免疫應(yīng)答反應(yīng)，能及早診斷，待測樣品用量??； l能檢測病原微生物的耐藥性，病原微生物的亞型；能檢測病原微生物的耐藥性，病原微生物的亞型； l極高的靈敏度和可靠性；檢測成本低，自動化程度高，利極高的靈敏度和可靠性；檢測成本低，自動化程度高，利 于大規(guī)模推廣應(yīng)用。于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

24、l這些特點使得醫(yī)務(wù)人員在短時間內(nèi)，可以掌握大量的疾病這些特點使得醫(yī)務(wù)人員在短時間內(nèi)，可以掌握大量的疾病 診斷信息，這些信息有助于醫(yī)生在短時間內(nèi)找到正確的治診斷信息，這些信息有助于醫(yī)生在短時間內(nèi)找到正確的治 療措施。療措施。 57 l藥物研究與開發(fā)：藥物研究與開發(fā)：芯片技術(shù)具有高通量、大規(guī)模、芯片技術(shù)具有高通量、大規(guī)模、 平行性等特點可以進行新藥的篩選，尤其對我國平行性等特點可以進行新藥的篩選，尤其對我國 傳統(tǒng)的中藥有效成分進行篩選。目前，國外幾乎傳統(tǒng)的中藥有效成分進行篩選。目前，國外幾乎 所有的主要制藥公司都不同程度地采用了基因芯所有的主要制藥公司都不同程度地采用了基因芯 片技術(shù)來尋找藥物靶標

25、，查檢藥物的毒性或副作片技術(shù)來尋找藥物靶標，查檢藥物的毒性或副作 用，用芯片作大規(guī)模的篩選研究可以省略大量的用，用芯片作大規(guī)模的篩選研究可以省略大量的 動物試驗，縮短藥物篩選所用時間，在基因組藥動物試驗，縮短藥物篩選所用時間，在基因組藥 學(xué)（學(xué)（pharmacogenomics）領(lǐng)域帶動新藥的研究和）領(lǐng)域帶動新藥的研究和 開發(fā)。開發(fā)。 58 l基因功能研究：基因功能研究：在基因組學(xué)和后基因組學(xué)研究在基因組學(xué)和后基因組學(xué)研究 中，基因芯片也起到重要的作用。應(yīng)用基因芯片中，基因芯片也起到重要的作用。應(yīng)用基因芯片 可以開展可以開展DNA測序、基因表達檢測、基因突變性、測序、基因表達檢測、基因突變性、

26、 基因功能研究、尋找新基因、單核苷酸多態(tài)性基因功能研究、尋找新基因、單核苷酸多態(tài)性 （SNP）測定等研究。與傳統(tǒng)的）測定等研究。與傳統(tǒng)的Northern blot雜雜 交或點雜交方法相比，基因芯片技術(shù)具有大規(guī)模交或點雜交方法相比，基因芯片技術(shù)具有大規(guī)模 平行處理的能力。平行處理的能力。 59 l在營養(yǎng)與食品衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用：在營養(yǎng)與食品衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用：采用基因芯采用基因芯 片技術(shù)研究營養(yǎng)素與蛋白和基因表達的關(guān)系，將片技術(shù)研究營養(yǎng)素與蛋白和基因表達的關(guān)系，將 為揭示肥胖的發(fā)生機制及預(yù)防打下基礎(chǔ)。還可用為揭示肥胖的發(fā)生機制及預(yù)防打下基礎(chǔ)。還可用 于營養(yǎng)與腫瘤相關(guān)基因表達的研究，如癌基因、于營養(yǎng)與腫瘤

27、相關(guān)基因表達的研究，如癌基因、 抑癌基因的表達與突變，營養(yǎng)與心腦血管疾病關(guān)抑癌基因的表達與突變，營養(yǎng)與心腦血管疾病關(guān) 系的分子水平研究。食品營養(yǎng)成分的分析、食品系的分子水平研究。食品營養(yǎng)成分的分析、食品 中有毒、有害成分的分析和檢測等。中有毒、有害成分的分析和檢測等。 60 l在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用：在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用：在環(huán)境保護上，在環(huán)境保護上， 基因芯片也廣泛的用途，一方面可以快速檢測基因芯片也廣泛的用途，一方面可以快速檢測 污染微生物或有機化合物對環(huán)境、人體、動植污染微生物或有機化合物對環(huán)境、人體、動植 物的污染和危害，同時也能夠通過大規(guī)模的篩物的污染和危害，同時也能夠通過大規(guī)模的篩

28、 選尋找保護基因，制備防治危害的基因工程藥選尋找保護基因，制備防治危害的基因工程藥 品、或能夠治理污染源的基因產(chǎn)品。品、或能夠治理污染源的基因產(chǎn)品。 61 l農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)：農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)：利用基因芯片技術(shù)，對有重利用基因芯片技術(shù)，對有重 要經(jīng)濟價值的農(nóng)作物和水果等的基因組進行大要經(jīng)濟價值的農(nóng)作物和水果等的基因組進行大 規(guī)模高通量的研究，篩選農(nóng)作物的基因突變，規(guī)模高通量的研究，篩選農(nóng)作物的基因突變， 并尋找高產(chǎn)量、抗病蟲、抗干旱、抗冷凍的相并尋找高產(chǎn)量、抗病蟲、抗干旱、抗冷凍的相 關(guān)基因，以開發(fā)高技術(shù)含量、高附加值的新產(chǎn)關(guān)基因，以開發(fā)高技術(shù)含量、高附加值的新產(chǎn) 品。也可利用基因芯片技術(shù)篩選、開發(fā)高

29、效低品。也可利用基因芯片技術(shù)篩選、開發(fā)高效低 毒的生物農(nóng)藥。毒的生物農(nóng)藥。 62 l司法：司法： l基因芯片還可用于司法，現(xiàn)階段可以通過基因芯片還可用于司法，現(xiàn)階段可以通過DNA指指 紋對比來鑒定罪犯，未來可以建立全國甚至全世紋對比來鑒定罪犯，未來可以建立全國甚至全世 界的界的DNA指紋庫，到那時以直接在犯罪現(xiàn)場對可指紋庫，到那時以直接在犯罪現(xiàn)場對可 能是疑犯留下來的頭發(fā)、唾液、血液等進行分析，能是疑犯留下來的頭發(fā)、唾液、血液等進行分析， 并立刻與并立刻與DNA罪犯指紋庫系統(tǒng)存儲的罪犯指紋庫系統(tǒng)存儲的DNA“指紋指紋” 進行比較，以盡快、準確的破案。進行比較，以盡快、準確的破案。 63 64

30、基因芯片 熒光標記的樣品 共聚焦顯微鏡 獲取熒光圖象 雜交結(jié)果分析 探 針 設(shè) 計 雜交 65 l另一種方法是點樣法另一種方法是點樣法: 基因芯片點樣法首先按常規(guī)方法制備cDNA （或寡核苷酸）探針庫，然后通過特殊的針頭 和微噴頭, 分別把不同的探針溶液，逐點分配在 玻璃、尼龍或者其它固相基底表面上不同位點, 并通過物理和化學(xué)的結(jié)合使探針被固定于芯片 的相應(yīng)位點。 66 l微型化和自動化微型化和自動化 l現(xiàn)已出現(xiàn)的芯片面積最大不過525cm,最小僅有1cm；每個 陣列中陣點樣品DNA的用量僅為0.5g/L左右；同時雜交和 洗片等過程都可實現(xiàn)自動化,工作效率大幅度提高。 l高度平行性高度平行性 l基因芯片技術(shù)是將待研究的基因制作成芯片,并在同一張芯 片上同時對實驗組和對照組材料進行雜交分析,從而使實驗 結(jié)果具有可比性。 l巨大的信息產(chǎn)出率巨大的信息產(chǎn)出率 l在一張芯片上不僅可以獲得組織、細胞、血液等基因表達 信號的定性、定量分析，還可實現(xiàn)全局檢測靜態(tài)到動態(tài)、 時間與空間上的差異及遺傳