基因芯片976527202

1、DNADNA芯片芯片DNA芯片技術(shù)是指在固相支持物上原位合成（芯片技術(shù)是指在固相支持物上原位合成（in situ synthesis）寡）寡核苷酸探針，或者直接將大量的核苷酸探針，或者直接將大量的DNA探針以顯微打印的方式有序的固探針以顯微打印的方式有序的固化于支持物表面，然后與標(biāo)記的樣品雜交，通過對雜交信號的檢測分化于支持物表面，然后與標(biāo)記的樣品雜交，通過對雜交信號的檢測分析即可得出樣品的遺傳信息（基因序列及表達的信息）。析即可得出樣品的遺傳信息（基因序列及表達的信息）。由于常用計算機硅芯片作為固相支持物，所以稱為由于常用計算機硅芯片作為固相支持物，所以稱為DNA芯片。芯片。DNA芯片又被稱

2、為基因芯片（芯片又被稱為基因芯片（gene chips）、）、DNA陣列（陣列（DNA array）、）、cDNA芯片（芯片（cDNA chips）、寡核苷酸陣列（）、寡核苷酸陣列（oligonucleotide array）等）等。DNA芯片技術(shù)芯片技術(shù)DNADNA芯片原理及分類芯片原理及分類DNADNA芯片的操作芯片的操作DNADNA芯片技術(shù)的應(yīng)用與展望芯片技術(shù)的應(yīng)用與展望DNA芯片的基本原理芯片的基本原理 基因芯片的原理是基于核酸分子堿基之間基因芯片的原理是基于核酸分子堿基之間(A-T/C-G互補互補配對的原理配對的原理,利用分子生物學(xué)、基因組學(xué)、信息技術(shù)、微利用分子生物學(xué)、基因組學(xué)、信

3、息技術(shù)、微電子、精密機械和光電子等技術(shù)將基因或電子、精密機械和光電子等技術(shù)將基因或DNA分子排列分子排列在特定固體物表面構(gòu)成的微點陣。然后將標(biāo)記的樣品分在特定固體物表面構(gòu)成的微點陣。然后將標(biāo)記的樣品分子與微點陣上的子與微點陣上的DNA雜交雜交,以實現(xiàn)多達數(shù)萬個分子之間的以實現(xiàn)多達數(shù)萬個分子之間的雜交反應(yīng)雜交反應(yīng),高通量大規(guī)模地分析檢測樣品中多個基因地表高通量大規(guī)模地分析檢測樣品中多個基因地表達狀況或者特定基因達狀況或者特定基因(DNA)分子的是否存在的目的分子的是否存在的目的 基因芯片的優(yōu)點基因芯片的優(yōu)點： 高通量高通量大規(guī)模大規(guī)模高度平行性高度平行性快速高效快速高效高靈敏度高靈敏度高度自動高

4、度自動化化 缺點缺點：在同一溫度下雜交，不同探針雜交效率不同。：在同一溫度下雜交，不同探針雜交效率不同。DNA芯片芯片制備原理制備原理原理原理 - - 通過雜交檢測信息通過雜交檢測信息一組寡核苷酸探針一組寡核苷酸探針TATGCAATCTAGCGTTAGATACGTTAGAATACGTTAGATCTACGTTAG由雜交位置確定的一組由雜交位置確定的一組核酸探針序列核酸探針序列GTTAGATC雜交探針組雜交探針組TATGCAATCTAG重組的互補序列重組的互補序列靶序列靶序列TACGTTAGACGTTAGAATACGTTACGTTAGATGTTAGATC ATACGTTADNA芯片芯片DNA芯片分

5、類芯片分類根據(jù)根據(jù)DNA芯片的制備方式可以將其分為兩大類：芯片的制備方式可以將其分為兩大類： 原位合成芯片原位合成芯片 synthetic genechips:指采指采用顯微光蝕刻技術(shù)在芯片的特定部位合成用顯微光蝕刻技術(shù)在芯片的特定部位合成寡核苷酸而制成的芯片。寡核苷酸而制成的芯片。 特點特點：合成的寡核苷酸鏈較短，密度較高。：合成的寡核苷酸鏈較短，密度較高。 DNA 微集陣列微集陣列 DNA microarry:指將預(yù)先指將預(yù)先制備的制備的DNA片段以顯微打印的方式有序地片段以顯微打印的方式有序地固化于支持物表面。固化于支持物表面。 特點特點：片段較長，密度較低。：片段較長，密度較低。DNA

6、芯片芯片DNADNA芯片的操作及應(yīng)用芯片的操作及應(yīng)用DNA芯片芯片基因芯片使用步驟基因芯片使用步驟芯片制作芯片制作把探針固定于載體表面把探針固定于載體表面樣品處理樣品處理目標(biāo)分子富集目標(biāo)分子富集分子間的雜交分子間的雜交結(jié)果檢測與數(shù)據(jù)分析結(jié)果檢測與數(shù)據(jù)分析DNA芯片芯片基因芯片熒光標(biāo)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DNA芯片芯片DNA芯片的制備芯片的制備芯片的制備包括芯片的制備包括l支持物的預(yù)處理、支持物的預(yù)處理、l原位合成芯片的準(zhǔn)備原位合成芯片的準(zhǔn)備lDNA微集陳列的制備微集陳列的制備DNA芯片芯片基因芯片結(jié)構(gòu)示意圖基因芯片結(jié)構(gòu)示意圖DNA芯片的制備芯片的制備支

7、持物分兩類支持物分兩類 實性材料實性材料 包括硅芯片，玻璃，瓷片等。目包括硅芯片，玻璃，瓷片等。目前最常用者為玻璃。預(yù)處理的目的是使其表前最常用者為玻璃。預(yù)處理的目的是使其表面形成羥基，氨基等活性基團，以便與單核面形成羥基，氨基等活性基團，以便與單核苷酸或苷酸或DNA形成共價鍵形成共價鍵 膜性材料膜性材料 包括聚丙烯膜，尼龍膜，硝酸纖包括聚丙烯膜，尼龍膜，硝酸纖維素膜等維素膜等 通常要包被氨基硅烷或多聚賴氨通常要包被氨基硅烷或多聚賴氨酸等，使其帶上正電荷，以吸附酸等，使其帶上正電荷，以吸附DNA支持物的預(yù)處理支持物的預(yù)處理:DNA芯片芯片DNA芯片的制備芯片的制備原位合成芯片的制備原位合成芯片

8、的制備1 顯微光蝕刻技術(shù)顯微光蝕刻技術(shù) 優(yōu)點：合成速度快，步驟少優(yōu)點：合成速度快，步驟少缺點：合成的探針短，效率低缺點：合成的探針短，效率低2 壓電打印法壓電打印法 合成的探針可達合成的探針可達40-50 nt，合成效率較高，合成效率較高DNA芯片芯片DNA微陣列的制備微陣列的制備采用事先合成的采用事先合成的DNA或制備基因探針，然后打印或制備基因探針，然后打印在支持物上在支持物上l噴墨打印噴墨打印 優(yōu)點：速度快，量準(zhǔn)，對支持物表面要求低；優(yōu)點：速度快，量準(zhǔn)，對支持物表面要求低； 缺點：斑點大，探針密度低，液滴分配不均缺點：斑點大，探針密度低，液滴分配不均l針式打印針式打印 優(yōu)點：簡便，價低，

9、液滴小，探針密度大；優(yōu)點：簡便，價低，液滴小，探針密度大； 缺點：準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性差缺點：準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性差DNA芯片的制備芯片的制備DNA芯片芯片噴墨打印技術(shù)噴墨打印技術(shù)DNA芯片芯片針式打印法（接觸式點樣）針式打印法（接觸式點樣）DNA芯片芯片點陣的制作DNA芯片芯片 樣品的準(zhǔn)備樣品的準(zhǔn)備 樣品的準(zhǔn)備包括樣品的準(zhǔn)備包括l樣品的分離純化樣品的分離純化l擴增擴增l標(biāo)記標(biāo)記DNA芯片芯片分離純化：樣品來源于活的細胞，使用一定方法分離分離純化：樣品來源于活的細胞，使用一定方法分離并純化并純化DNA或或RNA（特別是（特別是mRNA）。只有達到一）。只有達到一定純度的樣品，才能保證后續(xù)操作的正確。定純度

10、的樣品，才能保證后續(xù)操作的正確。目前分離純化使用的試劑均有商品出售，品牌繁多，目前分離純化使用的試劑均有商品出售，品牌繁多，原理也不盡相同，產(chǎn)物收率和耗時也相差甚遠原理也不盡相同，產(chǎn)物收率和耗時也相差甚遠分離純化分離純化DNA芯片芯片樣品準(zhǔn)備樣品準(zhǔn)備樣品準(zhǔn)備樣品準(zhǔn)備l樣品的擴增：擴增的目的在于獲得足夠的樣品量?，F(xiàn)樣品的擴增：擴增的目的在于獲得足夠的樣品量。現(xiàn)已發(fā)展出固相已發(fā)展出固相PCR系統(tǒng)。系統(tǒng)。l樣品的標(biāo)記：主要采用樣品的標(biāo)記：主要采用熒光標(biāo)記法熒光標(biāo)記法，也可用生物素，也可用生物素，或放射性核標(biāo)記。標(biāo)記的方式采用或放射性核標(biāo)記。標(biāo)記的方式采用PCR或或RT-PCR。常。常用的熒光色素為用

11、的熒光色素為Cy3、Cy5。用。用Cy3、Cy5標(biāo)記標(biāo)記dNTP，經(jīng)經(jīng)PCR后，產(chǎn)物即可被標(biāo)記。待測樣品和對照可采用后，產(chǎn)物即可被標(biāo)記。待測樣品和對照可采用雙色熒光標(biāo)記。雙色熒光標(biāo)記。樣品擴增和標(biāo)記樣品擴增和標(biāo)記DNA芯片芯片 分子雜交分子雜交 芯片的雜交：芯片的雜交：將已知序列的將已知序列的DNA探針顯微固化于支持物表面，將已標(biāo)探針顯微固化于支持物表面，將已標(biāo)記好的樣品與之進行雜交，雜交過程一般在記好的樣品與之進行雜交，雜交過程一般在30分鐘分鐘完成。樣品與完成。樣品與DNA芯片上的探針陣列進行雜交。芯片上的探針陣列進行雜交。與經(jīng)典分子雜交的區(qū)別：與經(jīng)典分子雜交的區(qū)別：雜交時間短，雜交時間短

12、，30分鐘內(nèi)完成分鐘內(nèi)完成可同時平行檢測許多基因序列可同時平行檢測許多基因序列影響雜交反應(yīng)的因素影響雜交反應(yīng)的因素：鹽濃度、溫度、反應(yīng)時間、鹽濃度、溫度、反應(yīng)時間、DNA二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)DNA芯片芯片 檢測分析檢測分析 l原理：待測樣品與支持物上探針列陣雜交后，熒光標(biāo)記的原理：待測樣品與支持物上探針列陣雜交后，熒光標(biāo)記的樣品結(jié)合在芯片的特定位置，未結(jié)合的探針被除去；樣品結(jié)合在芯片的特定位置，未結(jié)合的探針被除去；樣品與探針嚴(yán)格配對的雜交分子，熱力學(xué)穩(wěn)定性高，產(chǎn)生的樣品與探針嚴(yán)格配對的雜交分子，熱力學(xué)穩(wěn)定性高，產(chǎn)生的熒光信號強，不完全配對的，熒光信號弱；不能雜交不產(chǎn)生熒光信號強，不完全配對的，熒光

13、信號弱；不能雜交不產(chǎn)生熒光信號熒光信號l分析：采用激光掃描或激光共聚焦顯微鏡采集雜交信號分析：采用激光掃描或激光共聚焦顯微鏡采集雜交信號（位置、強度、顏色），并與對照比較，經(jīng)相關(guān)軟件進行圖（位置、強度、顏色），并與對照比較，經(jīng)相關(guān)軟件進行圖像和數(shù)據(jù)處理。即可得也待測樣品的信息。像和數(shù)據(jù)處理。即可得也待測樣品的信息。經(jīng)以上獲得的數(shù)據(jù)十分龐大，還需進行分析，比較，歸納，經(jīng)以上獲得的數(shù)據(jù)十分龐大，還需進行分析，比較，歸納，才能得出明晰的結(jié)論。才能得出明晰的結(jié)論。DNA芯片芯片DNA芯片芯片基因芯片掃描結(jié)果基因芯片掃描結(jié)果不同的顏色代表一個探針點雜交上的帶熒光標(biāo)記不同的顏色代表一個探針點雜交上的帶熒光

14、標(biāo)記的核酸分子數(shù)的差異。紅的核酸分子數(shù)的差異。紅黃黃綠綠蘭蘭紫紫DNA芯片芯片DNA芯片技術(shù)的應(yīng)用芯片技術(shù)的應(yīng)用231疾病的診斷與治療疾病的診斷與治療, 雜交測序雜交測序基因表達分析基因表達分析DNA芯片芯片 基因表達分析基因表達分析 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，僅個不同的基因，僅掌握基因序列信息資料，掌握基因序列信息資料，要理解其基因功能是遠遠要理解其基因功能是遠遠不夠的。不夠的。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。的實驗工具很重要?；蛐酒夹g(shù)可清楚地直基因芯片技術(shù)可清楚地直接快速地檢測出以接快速地檢測出以1:300,000水平出

15、現(xiàn)的水平出現(xiàn)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。 DNA芯片芯片 雜交測序雜交測序 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。用含用含65,536個個8聚寡核苷酸的微陣列，采用聚寡核苷酸的微陣列，采用SBH技術(shù)，可測定技術(shù)，可測定200bp長長DNA序列。采用序列。采用67,108,864個個13聚寡核苷酸的微陣聚寡核苷酸的微陣列，可對數(shù)千個堿基長的列，可對數(shù)千個堿基長的DNA測序。測序。SBH技術(shù)的效率隨著微技術(shù)的效率隨著微陣列中寡

16、核苷酸數(shù)量與長度的增加而提高，但微陣列中寡核陣列中寡核苷酸數(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，降低了雜苷酸數(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(zhǔn)確性。交準(zhǔn)確性。DNA芯片芯片 疾病的診斷與治療疾病的診斷與治療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：斷方面具有獨特的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)檢測方法相比：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；無需機體免疫應(yīng)答反應(yīng)，能及早診斷，待測樣品用

17、量??；無需機體免疫應(yīng)答反應(yīng)，能及早診斷，待測樣品用量小；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；極高的靈敏度和可靠性；檢測成本低，自動化程度高，利于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。大規(guī)模推廣應(yīng)用。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)找到正確的治療措斷信息，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。施。 DNA芯片芯片DNA芯片展望芯片展望 DNA芯片的出現(xiàn)和應(yīng)用，為芯片的出現(xiàn)和應(yīng)用，為DNA測序，診斷，

18、大測序，診斷，大面積人群的篩查帶來了極大的方便，具有通量高，快速，面積人群的篩查帶來了極大的方便，具有通量高，快速，等優(yōu)點。但其不足之處亦是顯而易見的：穩(wěn)定性較低；等優(yōu)點。但其不足之處亦是顯而易見的：穩(wěn)定性較低；只能探查已知基因；費用過高及臨床使用的非必須性等只能探查已知基因；費用過高及臨床使用的非必須性等因素成為其發(fā)展受到影響。因素成為其發(fā)展受到影響。 盡管基因芯片技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域越來越受到廣泛的關(guān)注和重視，盡管基因芯片技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域越來越受到廣泛的關(guān)注和重視，但在其研究與開發(fā)中目前還面臨很多困難，如技術(shù)成本高，生產(chǎn)和使用但在其研究與開發(fā)中目前還面臨很多困難，如技術(shù)成本高，生產(chǎn)和使用還過于復(fù)雜，檢