淺析基因芯片技術的研究進展及其應用前景

1、    淺析基因芯片技術的研究進展及其應用前景    摘 要：基因芯片技術是上世紀90年代中期以來，快速發(fā)展起來的一門分子生物學高新技術。基因芯片這個概念是由fodor等在1991年提出的?；蛐酒夹g用途廣泛，在生命科學研究及實踐、醫(yī)學科研及臨床、藥物設計、環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)、軍事等各個領域中有著廣泛的用武之地?；蛐酒夹g將為人類社會帶來廣泛深刻的變革，促進人類早日進入生物信息時代。關鍵詞：基因芯片；基因診斷；進展基因芯片是生物芯片技術的一種，它是隨著"人類基因組計劃"的進展而發(fā)展起來的，它對人類的未來將產(chǎn)生深遠的影響，既具有重大的基

2、礎研究價值，又具有明顯的產(chǎn)業(yè)化前景。基因芯片技術將為“后基因組計劃”時期基因功能的研究提供強有力的工具，將會使基因診斷、藥物篩選、給藥個性化等方面取得重大突破。一、基本概念基因芯片（gene chip）也叫dna芯片、dna微陣列（dna microarray）、寡核苷酸陣列（oligonucleotide array），是指通過微陣列技術，將高密度dna片段陣列通過高速機器人，或原位合成方式以一定的順序或排列方式，使其附著在如玻璃片等固相表面，以熒光標記的dna探針，借助堿基互補雜交原理，進行大量的基因表達及監(jiān)測等方面研究的最新革命性技術。由于常用硅芯片作為固相支持物，且在制備過程運用了計算

3、機芯片的制備技術，所以稱之為基因芯片技術。二、基因芯片技術的分類基因芯片技術的分類方法很多，最常用的是按載體上所點探針的長度分為兩種：一是cdna芯片，由 schena 建立，是將特定的 cdna經(jīng) pcr 擴增后借助機械手直接點到基片上；二是寡核苷酸芯片，由fodo 首先報道， 用照相平板印刷術和固相合成技術在基片上生成寡核苷酸， 分為長寡核苷酸芯片和短寡核苷酸芯片，與cdna芯片制作的一個主要不同點是多一步轉錄獲得crna的過程。目前，關于不同基因芯片技術的靈敏度和特異性仍存在爭議。起初，人們認為長寡核苷酸芯片和cdna芯片有更高的特異性和靈敏度，現(xiàn)在看來，短寡核苷酸芯片同樣有很高地特異性

4、，因為每一個基因代表11-20個寡核苷酸。三、國內(nèi)外研究進展美國于上世紀末年正式啟動基因芯片計劃， 國立衛(wèi)生研究院（nih）、能源部、商業(yè)部、司法部、國防部、中央情報局等均參與了此項目。世界大型制藥公司尤其對基因芯片技術用于基因多態(tài)性、疾病相關性、基因藥物開發(fā)和合成或天然藥物篩選等領域感興趣， 都已建立了或正在建立自己的芯片設備和技術。目前，國際上已經(jīng)有許多從事生物芯片研究的公司， 每家公司的芯片技術都各具特色，應用目的也不盡相同， 如加利福尼亞州森尼維爾的 hyseq 公司，聲稱擁有最快的基因分析器， 它們由機器人制造， 機器人把 dna 探針滴到過濾紙上，其 dna 陣具有優(yōu)勢， 破譯 d

5、na 的速度快。affymetrix 公司以開發(fā)的判斷是否攜帶愛滋病病毒逆轉錄酶基因的 hiv 芯片，確定有無癌癥可能的 p53 基因芯片以及診斷藥物代謝缺乏癥的細胞色素 p450芯片，現(xiàn)以應用于臨床；通過開發(fā)對雜合基因丟失和等位基因不平衡分析，來預測和診斷腫瘤的芯片也正在臨床研究之中。一些具有實力的大型制藥公司對基因芯片用于基因多態(tài)性、疾病相關性、基因藥物開發(fā)和合成或天然藥物篩選等領域都非常感興趣。相繼投入巨資開發(fā)基因芯片技術和相應的設備， 嘗試利用基因芯片技術開展新藥的超高量篩選和進行藥理遺傳學、藥理基因組學的研究。我國有著豐富的基因資源， 基因研究具有特別重要的商業(yè)價值， 基因芯片技術的

6、成熟和發(fā)展將大大促進我國人類基因組計劃的進程。目前國內(nèi)掀起基因芯片的研究熱潮，國內(nèi)已有多家大學和研究所開始和正在從事生物芯片的研發(fā)工作，國家研究經(jīng)費投入大幅增加?？茖W家提出以生物芯片技術為核心的各相關產(chǎn)業(yè)正在全球崛起， 世界工業(yè)發(fā)達國家已開始有計劃、大投入、爭先恐后的對該領域知識產(chǎn)權進行保護。 國務院已經(jīng)在清華大學成立了國家生物芯片工程中心，并對生物芯片的系統(tǒng)研發(fā)作傾斜性支持。 我國已開發(fā)出用于診斷肝炎的芯片數(shù)種，如一種用于乙型肝炎病毒分型的芯片；一種用于乙型肝炎病毒基因，丙型肝炎病毒基因診斷的雙檢芯片。另外，用于性病， 且一次可同時檢測10種以上性病原體和用于、型地中海貧血診斷的基因芯片都正

7、在申報新藥之中，用于胎兒神經(jīng)管畸形基因診斷的芯片正處在研究階段。四、應用（一）在生命科學研究中的應用一是在繪制基因缺失圖譜和基因表達分析中的應用。通過繪制基因圖譜同時可以在混合的 b 型流感病毒株中區(qū)分各個基因節(jié)段， 還可以確定疫苗候選株， 這對研制基因疫苗具有重大意義。二是在基因突變檢測中的應用。由于一些病毒性疾病診斷及治療有很大困難。選擇固定在硅片微通道的寡核苷酸探針，用探針來識別流感病毒各亞型血凝素基因和神經(jīng)氨酸酶基因。根據(jù)雜交結果分析病毒的變異基因，進而確定抗原成分的變異情況，從而可以鑒定病毒亞型。三是在生命科學研究中其他方面的應用。應用微生物芯片監(jiān)測電化學誘導產(chǎn)生的有機突變物質；依據(jù)

8、微流體學原理， 利用熒光原位雜交和基因芯片對海洋細菌群的分析；在細胞信號轉導和基因表達調控， 生物發(fā)育和分化，生物衰老和凋亡，生物體內(nèi)生理和生化研究，尋找新基因等方面都得到了廣泛應用。（二）在醫(yī)學研究中的應用一是在臨床診斷與檢測中的應用。由于基因芯片所需樣品和劑量極小， 而且快速省時、無污染、診斷結果精確又適合于自動化操作， 很適合疾病診斷與檢測。目前， 已應用寡核苷酸微陣列診斷細菌性急性上呼吸道傳染病、病毒性疾病、炎癥、癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等方面的診斷與檢測。二是在尋找藥物作用靶位點中的應用。所謂“尋找藥物作用靶位點”是指在基因組范圍內(nèi)對 dna 進行測序和基因表達分析， 從蛋白質或核酸中找出最佳的藥物作用靶點， 進行藥物篩選。三是在醫(yī)學研究中其他方面的應用?；蛐酒卺t(yī)學研究中其他方面已有廣泛地應用， 如遺傳病的遺傳機制研究及診斷、病原體及分型診斷、耐藥性檢測、藥物篩選、各類實質性器官移植和骨髓移植中受體的配型、自身免疫病、毒理學研究等方面。綜上， 核酸芯片技術與基因組和后基因組時代的需求相適應， 其以本身具有的革命性的優(yōu)勢， 作為一種理想的強有力