基因芯片實(shí)驗(yàn)原理與方法

1、基因芯片(Gene Chip,DNA Chip)，又稱(chēng)DNA微陣列(DNA Micorarray)，是指按照預(yù)定位置固定在固相載體上很小面積內(nèi)的千萬(wàn)個(gè)核酸分子所組成的微點(diǎn)陣陣列。在一定條件下，載體上的核酸分子可以與來(lái)自樣 品的序列互補(bǔ)的核酸片段雜交。如果把樣品中的核酸片段進(jìn)行標(biāo)記，在專(zhuān)用的芯片閱讀儀上就可以檢測(cè)到雜交信號(hào)。詳細(xì) 實(shí)驗(yàn)方法 基因芯片實(shí)驗(yàn)原理與方法 實(shí)驗(yàn)材料 組織或細(xì)胞樣本試劑、試劑盒 Oligo-dT (T15) - Roche dNTPs RNasin Superscript II Cot-1 DNA EDTA NaOH Tris儀器、耗材 掃描儀：ScanArray 3000

2、 圖像處理軟件：Genepix 3.0 Cartesian 7500點(diǎn)樣儀 硅烷化玻片 PCR儀器 Scan Microarray一、目的本實(shí)驗(yàn)的目的是學(xué)會(huì)cDNA芯片的使用方法。了解各種基因芯片的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)?；蛐酒@一技術(shù)方法在1991年的Science雜志上被首次提出，其高通量、并行檢測(cè)的特點(diǎn)適應(yīng)了分析人類(lèi)基因組計(jì)劃所提供的海量的基因序列信息的需要，可以說(shuō)，人類(lèi)基因組計(jì)劃是基因芯片技術(shù)發(fā)展的原因，而對(duì)深人研究基因突變和基因表達(dá)的有效方法的需求又是促進(jìn)基因芯片技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。由于基因芯片高速度、高通量、集約化和低成本的特點(diǎn)，基誕生以來(lái)就受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注，正如晶體管電路向集成電路發(fā)

3、展的經(jīng)歷一樣，分子生物學(xué)技術(shù)的集成化正在使生命科學(xué)的研究和應(yīng)用發(fā)生一場(chǎng)革命。根據(jù)固定在芯片載體上的核酸分子的不同，基因芯片可以分為cDNA芯片和寡核昔酸芯片等。寡核昔酸芯片主要基于光引導(dǎo)聚合技術(shù)，該技術(shù)是Affymetrix公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)利技術(shù)，由于其突出的優(yōu)點(diǎn)，正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。二、原理基因芯片(Gene Chip,DNA Chip)，又稱(chēng)DNA微陣列(DNA Micorarray)，是指按照預(yù)定位置固定在固相載體上很小面積內(nèi)的千萬(wàn)個(gè)核酸分子所組成的微點(diǎn)陣陣列。在一定條件下，載體上的核酸分子可以與來(lái)自樣品的序列互補(bǔ)的核酸片段雜交。如果把樣品中的核酸片段進(jìn)行標(biāo)記，在專(zhuān)用的芯片閱讀儀上就可以

4、檢測(cè)到雜交信號(hào)?；蛐酒夹g(shù)主要包括四個(gè)主要步驟：芯片制備、樣品制備、雜交反應(yīng)和信號(hào)檢測(cè)和結(jié)果分析。1、芯片制備-目前制備芯片主要以玻璃片或硅片為載體，采用原位合成和微矩陣的方法將寡核苷酸片段或cDNA作為探針按順序排列在載體上。芯片的制備除了用到微加工工藝外，還需要使用機(jī)器人技術(shù)。以便能快速、準(zhǔn)確地將探針?lè)胖玫叫酒系闹付ㄎ恢谩?、樣品制備-生物樣品往往是復(fù)雜的生物分子混合體，除少數(shù)特殊樣品外，一般不能直接與芯片反應(yīng)，有時(shí)樣品的量很小。所以，必須將樣品進(jìn)行提取、擴(kuò)增，獲取其中的蛋白質(zhì)或DNA、RNA，然后用熒光標(biāo)記，以提高檢測(cè)的靈敏度和使用者的安全性。3、雜交反應(yīng)-雜交反應(yīng)是熒光標(biāo)記的樣品與

5、芯片上的探針進(jìn)行的反應(yīng)產(chǎn)生一系列信息的過(guò)程。選擇合適的反應(yīng)條件能使生物分子間反應(yīng)處于最佳狀況中，減少生物分子之間的錯(cuò)配率。4、信號(hào)檢測(cè)和結(jié)果分析-雜交反應(yīng)后的芯片上各個(gè)反應(yīng)點(diǎn)的熒光位置、熒光強(qiáng)弱經(jīng)過(guò)芯片掃描儀和相關(guān)軟件可以分析圖像，將熒光轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，即可以獲得有關(guān)生物信息。目前，基因芯片主要由寡核苷酸芯片和cDNA芯片兩大類(lèi)組成。以下分別介紹這兩類(lèi)芯片的基本原理和特點(diǎn)：寡核苷酸芯片(Oligonucleotides Chip)概念：是指做在固相載體上的寡核苷酸微陣列。其制備方法以直接在基片上進(jìn)行原位合成為主、有時(shí)也可以預(yù)先合成，再按照制備cDNA芯片的方法固定在基片上。原位合成(In situ

6、 synthesis)是目前制造高密度寡核苷酸芯片最為成功的方法，有幾種不同的工藝，其中最著名的是美國(guó)Affymetrix公司()的專(zhuān)利技術(shù)光引導(dǎo)化學(xué)合成法(Light-directed chemical synthesis process)。產(chǎn)品名為GeneChip。Affymetrix公司已公開(kāi)的光引導(dǎo)化學(xué)合成主要過(guò)程如下：首先根據(jù)雜交目的確定寡核昔酸探針的長(zhǎng)度和序列。再由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出合成寡核苷酸時(shí)用到的所有光掩膜(Masks)。最后做探針合成。光導(dǎo)原位合成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以用很少的步驟合成極其大量的探針陣列，探針陣列密度可高達(dá)到每平方厘米一百萬(wàn)個(gè)。而這種方法的主要缺點(diǎn)：一是需要預(yù)先設(shè)計(jì)、制

7、造一系列掩模，造價(jià)較高：二是每步產(chǎn)宰較低因此合成探針的長(zhǎng)度受到了限制。此外，原值合成的方法還有Incyte Phamaceuticals5公司(http/)和Rosetta Biosystem Inc公司等使用的基于噴墨打印原理的原價(jià)合成法(IN situ synthesis with reagents delivered by ink-jet printer devices)。噴印裝置與普通的彩色噴墨打印機(jī)類(lèi)似，用四種堿基液體取代墨盒中的彩色墨汁，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制噴印機(jī)將特定種類(lèi)的試劑噴灑到預(yù)定的區(qū)域上。沖洗、去保護(hù)、偶聯(lián)等過(guò)程與傳統(tǒng)的DNA固相原值合成技術(shù)相同。噴印法可以合成長(zhǎng)度為4050

8、nt的寡核昔酸鏈，每步產(chǎn)率可以達(dá)到99，合成30nt的寡核昔酸產(chǎn)率可達(dá)70以上。日本佳能公司利用其獨(dú)創(chuàng)的“氣泡噴墨”技術(shù)，僅用24 pl溶液就可以在基片上制作出近百微米的小探針點(diǎn)每平方厘米可排布近20000個(gè)探針，克服了噴墨打印技術(shù)制備探針陣列密度較小的缺點(diǎn)。寡核昔酸芯片的雜交和檢測(cè)分析：樣品處理和雜交檢測(cè)方法與cDNA芯片是一致的。由于寡核昔酸陣列多需要區(qū)分單堿基突變因此嚴(yán)格控制雜交液鹽離子濃度、雜交溫度和沖洗時(shí)間是雜交實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。cDNA芯片（cDNA Chip）概念：在玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纖維素膜、尼龍膜等固相載體上固定的成千上萬(wàn)個(gè)cDNA分子組成cD4A微陣列。制作cDNA

9、芯片最常用的固相載體是顯微鏡載玻片，載玻片在使用前需要進(jìn)行表面處理，目的是抑制玻璃片表面對(duì)核酸分子的非特異性吸附作用。常用的表面處理方法有氨基化法、醛基化法和多聚賴(lài)氨酸包被法。cDNA芯片的制備：制備cDNA芯片多用合成后點(diǎn)樣法(Spotting after synthesis)，簡(jiǎn)稱(chēng)點(diǎn)樣法。合成后點(diǎn)樣法使用的專(zhuān)用設(shè)備稱(chēng)為點(diǎn)樣儀(Arrayer)，目前有多家國(guó)外公司(如Bopdiscovery,Biorobotics,Vartesian Technologies,Genetic Microsystems,Genomicssolutions等)生產(chǎn)點(diǎn)樣儀。點(diǎn)樣儀的主要部件是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制的電腦

10、機(jī)械手。點(diǎn)樣時(shí)電腦機(jī)械手利用點(diǎn)樣針頭(Pin)從96或384檄孔板上蘸取cDNA樣品，按照設(shè)計(jì)好的位置點(diǎn)在載玻片表面。針頭的數(shù)目、機(jī)械手的移動(dòng)時(shí)間、針頭清洗和干燥時(shí)間、樣品總數(shù)和載破片數(shù)目共同決定了點(diǎn)樣所需時(shí)間；針頭的直徑和形狀、樣品溶液的粘滯程度以及固相載體的表面特性決定了芯片上液滴的量和擴(kuò)散面積。除點(diǎn)樣法以外，cDNA芯片也可以用電子定位法(Electronic addressing)制備。美國(guó)Nanogen公司()最早使用這項(xiàng)技術(shù)，他們對(duì)空白片上的持定位點(diǎn)進(jìn)行電活化，使相應(yīng)活化點(diǎn)的表面帶有電荷，成為“微電極”，能夠吸附cDNA分子。帶有微電極的片子與樣品溶液共同孵育，溶液中的cDNA分子

11、被吸附的微電極上，并與片子表面發(fā)生化學(xué)結(jié)合從而固定。用這種工藝制備的芯片的優(yōu)點(diǎn)是：微電極的電吸附作用可以提高與靶核酸的雜交效率。缺點(diǎn)是制備復(fù)雜成本較高。這種帶有微電極的芯片也稱(chēng)為主動(dòng)式芯片。許多公司出售商品化的cDNA芯片，可以根據(jù)需要從公司定制。美國(guó)Incyte公司是顯著名的cDNA芯片提供商之，其產(chǎn)名為GEMTM芯片，每張片子上最多可以含有10000點(diǎn)，對(duì)樣品中mRNA的檢出限達(dá)到2pg，對(duì)兩種來(lái)源樣品中的基因差異表達(dá)的檢出限為2倍。cDNA芯片的使用方法樣品制備和雜交樣品制備包括分離和標(biāo)記兩個(gè)方面，有些樣品還嬰經(jīng)過(guò)核酸擴(kuò)增放大這一步驟。樣品制備的一般過(guò)程是：提取待檢樣品中的mRNA，反轉(zhuǎn)

12、錄成cDNA，同時(shí)標(biāo)記上熒光(熒光標(biāo)記為最常用的方法優(yōu)點(diǎn)是無(wú)放射性且有多種顏色可供使用；研究者可以根據(jù)需要選用其它標(biāo)記方法，例如同位素標(biāo)記法、化學(xué)發(fā)光法或酶標(biāo)法；如果目的是研究?jī)煞N來(lái)源的組織細(xì)胞基因的差異表達(dá)，則分別提取兩種組織細(xì)胞的mRNA，反轉(zhuǎn)錄成cDNA，分別標(biāo)記兩種不同顏色的熒光(如Cy3和Cy5)，等量混合后與芯片進(jìn)行雜交反應(yīng)。雜交反應(yīng)可以在專(zhuān)用的雜交儀(Hybridization station)或雜交盒(Hybridization chamber)內(nèi)進(jìn)行。雜交儀能夠容納多張芯片，有利于雜交過(guò)程的自動(dòng)化和雜交條件的標(biāo)準(zhǔn)化。單個(gè)反應(yīng)可以在雜交盒里進(jìn)行，斯坦福大學(xué)Patrick O.B

13、rown教授領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室將制作雜交盒的詳細(xì)說(shuō)明提供在互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)還提供了cDNA芯片設(shè)備、樣品處理與雜交的完整的實(shí)驗(yàn)手冊(cè)和有關(guān)軟件的下載，網(wǎng)址是：。雜交信號(hào)檢測(cè)和分析通常檢測(cè)芯片上的雜交信號(hào)需要高靈敏度的檢測(cè)系統(tǒng)閱讀儀(Reader)，閱讀儀的成像原理分為激光共焦掃描和CCD成像兩種。前者分辨率和靈敏度較高，但是掃描速度較慢且價(jià)格昂貴。后者的持點(diǎn)與之相反。十祈一次標(biāo)準(zhǔn)的cDNA芯片雜交實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的成干上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的雜交信息，需要生物信息學(xué)手段的支持。已經(jīng)有多種讀取和分析雜交信號(hào)的應(yīng)用軟件以及能夠與網(wǎng)絡(luò)公共數(shù)據(jù)庫(kù)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用軟件、在NHGRI的問(wèn)站可以下載用于圖像分析的軟件，還可以找到能夠與

14、Genbank、Unigene等數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)機(jī)工作的軟件包。基因芯片基本技術(shù)流程圖表1 基因芯片的主要類(lèi)型及其簡(jiǎn)要特點(diǎn)三、主要器材掃描儀：ScanArray 3000，General Scanning公司圖像處理軟件：Genepix 3.0， Axon公司；Scan Microarray Analysis System ，GSI Lumonics公司Cartesian 7500點(diǎn)樣儀 Cartesian公司硅烷化玻片 TeleChem公司PCR儀器四、試劑組織或細(xì)胞樣本Oligo-dT (T15) - Roche dNTPs (in buffer 50 mM Tris pH 8) RNasin -

15、 Promega Superscript II - Life Technologies Qiaquick PCR purification system - QIAGEN 22 x 50 mm cover slips Cot-1 DNA - Life Technologies Poly dA - Roche Cy3 and Cy5-dUTP 0.5M EDTA 2M NaOH 1M HCl 1M Tris pH 8 100mM sodium acetate 20x SSC 20% SDS Deionized Formamide MilliQ Water Array chip (5k gene-chip from QIMR) Hybridisation chamber Dnase-, RNase-free 0.5 and 1.5 ml eppendorf tubes Plastic slide holders 2 litre beakers 五、操作（一）總RNA制備1、組織(或細(xì)胞)碾磨粉碎11、將超低溫保存的組織(或細(xì)胞