《基因組學(xué)》課件第11章 生物芯片技術(shù)-2015

1、第11章生物芯片蛋白質(zhì)二維凝膠電泳（2-D-gel）生物芯片（Biochip）技術(shù)生物芯片是信息時(shí)代的產(chǎn)物橫跨：生命科學(xué)、 物理學(xué)、 計(jì)算機(jī)科學(xué)、微電子技術(shù)光電技術(shù)、 材料科學(xué)等現(xiàn)代高技術(shù)?！叭祟惢蚪M計(jì)劃”的迫切需求： 30億個(gè)堿基對(duì)、幾萬(wàn)個(gè)基因的信息分析理想的解決方案 生物芯片：新的快速價(jià)廉的基因測(cè)序和功能研究方法1992年第一張基因芯片：美國(guó)Affymetrix（全球唯一擁有成熟的商品化的高密度芯片制造技術(shù)的公司），半導(dǎo)體照相平板技術(shù)和光脫保護(hù)原位合成技術(shù)（專利），已知序列的基因集成到硅片表面，批量處理一、生物芯片簡(jiǎn)介發(fā)展歷史1995年第一張以玻璃為載體的基因芯片： Stanford大學(xué)

2、P.Brown實(shí)驗(yàn)室，將cDNA密集點(diǎn)樣在玻璃片上，進(jìn)行基因表達(dá)譜研究和SNP分析1996年第一張實(shí)用型基因芯片：Affymetrix，首批實(shí)用型DNA芯片及其成套系統(tǒng)，由此引發(fā)了繼工業(yè)革命、信息技術(shù)革命后的第三次基因組革命 此后系列生物芯片相繼問世：噴墨點(diǎn)樣芯片、寡核苷酸點(diǎn)樣芯片、蛋白原位合成以及多肽點(diǎn)樣芯片、細(xì)胞和組織芯片、芯片實(shí)驗(yàn)室、液相芯片等一、生物芯片簡(jiǎn)介發(fā)展歷史基因芯片發(fā)展歷史Southern & Northern BlotDot BlotMacroarrayMicroarray一、生物芯片簡(jiǎn)介生物芯片(Biochips)是將大量生物識(shí)別分子按預(yù)先設(shè)置的排列固定于一種支持物（如硅片

3、、玻片及高聚物載體等）表面，利用與被標(biāo)記的樣品生物分子的特異性親和反應(yīng)（分子雜交）來(lái)分析樣品中靶分子存在的量的一種技術(shù)。一、生物芯片簡(jiǎn)介“探針”：載玻片或尼龍膜的表面原位合成寡核苷酸（DNA或cDNA以高密度點(diǎn)陣固定排列在經(jīng)處理過的載玻片或尼龍膜的表面）“樣品”：標(biāo)記了熒光或同位素待測(cè)靶分子DNA、cDNA或RNA、蛋白質(zhì)或多肽一、生物芯片簡(jiǎn)介工作原理：生物分子之間特異性的相互作用。如DNA-DNA、DNA-RNA、抗原-抗體、受體-配體之間可發(fā)生的復(fù)性與特異性結(jié)合。 設(shè)計(jì)一方為探針，并固定在微小的載體表面，通過分子之間的特異性反應(yīng)，檢測(cè)另一方的有無(wú)、多少、結(jié)構(gòu)改變等。一、生物芯片簡(jiǎn)介二、生物

4、芯片的分類 基因芯片（DNA芯片）：將DNA分子固定于支持 物上，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)，與被標(biāo)記的樣品分 子雜交、檢測(cè)和分析。 蛋白質(zhì)芯片：蛋白質(zhì)在載體上的有序排列，依 據(jù)蛋白質(zhì)之間相互作用的原理進(jìn)行雜交、檢測(cè) 和分析。 芯片實(shí)驗(yàn)室：將一個(gè)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)步驟微縮于一 個(gè)芯片上。二、生物芯片的分類二、生物芯片的分類芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-chip）或稱微全分析系統(tǒng)（Micro Total Analysis System， or microTAS）是指把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離檢測(cè)等基本操作單位集成或基本集成于一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過程，

5、并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行分析的一種技術(shù)。功能化芯片實(shí)驗(yàn)室大體包括三個(gè)部分：芯片；分析儀，包括驅(qū)動(dòng)源和信號(hào)檢測(cè)裝置；含有實(shí)現(xiàn)芯片功能化方法和試劑盒。三、基因芯片的原理 基因芯片技術(shù)是建立在Southern blot基礎(chǔ)之上的，可以說(shuō)它是Southern blot的改進(jìn)和發(fā)展，它的原理是：變性DNA 加入探針后在一定溫度下退火，同源片段之間通過堿基互補(bǔ)形成雙鏈雜交分子。S； DNA-DNA/RNA； N：RNA-DNA/RNA；W：Protein-protein/DNA E:蛋白質(zhì)翻譯后修飾的雜交基因芯片的基本原理與Southern blot技術(shù)一脈相承基因芯片技術(shù)是基因功能研究領(lǐng)域的一次革命，是生命科學(xué)研

6、究領(lǐng)域中新近出現(xiàn)的一項(xiàng)嶄新技術(shù)。與Southern blot相比較，基因芯片具有高密度、高通量、并行性、微量化、自動(dòng)化的特點(diǎn)。基因芯片與Southern blot的比較大規(guī)?；蚬δ苎芯克摹⑸镄酒牟僮髁鞒讨苽淇俁NA mRNA經(jīng)RT-PCR用Cy3（正常對(duì)照組）和Cy5（實(shí)驗(yàn)組）熒光標(biāo)記目的基因，得到cDNA探針混合標(biāo)記探針與表達(dá)譜芯片上核苷酸片段（或基因）雜交掃描分析雜交結(jié)果結(jié)論基因芯片技術(shù)主要包括四個(gè)基本要點(diǎn)：芯片方陣的構(gòu)建樣品的制備生物分子反應(yīng)信號(hào)的檢測(cè) 1）支持物的預(yù)處理實(shí)性材料：硅芯片、玻片和瓷片需進(jìn)行預(yù)處理，使其表面衍生出羥基、氨基活性基團(tuán)。膜性材料：聚丙烯膜、尼龍膜、硝酸纖維

7、膜通常包被氨基硅烷或多聚賴氨酸目的：使探針分子固定并保持構(gòu)象自然1、芯片的制備四、生物芯片的操作流程2) 芯片的制備合成后點(diǎn)樣：預(yù)先合成DNA或制備基因探針然后打印到芯片上。1、芯片的制備四、生物芯片的操作流程原位合成：由點(diǎn)樣系統(tǒng)將探針的組成部分逐步轉(zhuǎn)移到支持物上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)探針的合成與轉(zhuǎn)移。樣品的分離純化DNA , mRNA，蛋白質(zhì)標(biāo)記等過程熒光標(biāo)記（常用Cy3、Cy5），生物素、放射性標(biāo)記2、樣品的準(zhǔn)備三、生物芯片的操作流程樣品與DNA芯片上的探針陣列進(jìn)行雜交。與經(jīng)典分子雜交的區(qū)別：雜交時(shí)間短，30分鐘內(nèi)完成可同時(shí)平行檢測(cè)許多基因序列影響雜交反應(yīng)的因素：鹽濃度、溫度、反應(yīng)時(shí)間、DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)

8、等3、分子雜交四、生物芯片的操作流程Affymetrix 640雜交儀激光激發(fā)使含熒光標(biāo)記的DNA片段發(fā)射熒光激光掃描儀或激光共聚焦顯微鏡采集各雜交點(diǎn)的信號(hào)軟件進(jìn)行進(jìn)行圖象分析和數(shù)據(jù)處理4、檢測(cè)分析四、生物芯片的操作流程GenearrayTM掃描儀1、DNA測(cè)序：雜交測(cè)序（SBH）五、生物芯片的應(yīng)用一組寡核苷酸探針TATGCAATCTAGCGTTAGATACGTTAGAATACGTTAGATCTACGTTAG由雜交位置確定的一組核酸探針序列GTTAGATC雜交探針組TATGCAATCTAG重組的互補(bǔ)序列靶序列TACGTTAGACGTTAGAATACGTTACGTTAGATGTTAGATC AT

9、ACGTTA2、基因表達(dá)分析五、生物芯片的應(yīng)用3、基因診斷：尋找和檢測(cè)與疾病相關(guān)的基因及在RNA水平上檢測(cè)致病基因的表達(dá)五、生物芯片的應(yīng)用4、藥物研發(fā)：尋找藥物靶分子五、生物芯片的應(yīng)用 在基因功能研究基礎(chǔ)上，特別是確立了與某些疾病相關(guān)基因的表達(dá)變化情況后，就可針對(duì)疾病發(fā)生機(jī)理進(jìn)行藥物篩選工作。 將這些基因特異性片段固定在芯片上，研究病變組織和正常組只在某些藥物刺激下這些基因表達(dá)的變化，可快速判斷藥物作用的效果，并進(jìn)行高通量篩選（high throughout screening），可使新藥開發(fā)獲得技術(shù)上的突破。生物芯片的主要特點(diǎn)：高通量微型化自動(dòng)化加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、利于顯示圖譜的快速對(duì)照和閱讀減少試劑用量和反應(yīng)液體積，提高樣品濃度和反應(yīng)速率降低成本，保證質(zhì)量 生物芯片的發(fā)展趨勢(shì)：微型化：DNA矩陣越來(lái)