基因芯片技術(shù)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介

基因芯片技術(shù)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介生物科學(xué)學(xué)院楊汝琪摘要:隨著基因芯片技術(shù)的發(fā)展，基因芯片越來(lái)越多的被人們利用，它可應(yīng)用于生活中的方方面面，如:它可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、微生物學(xué)和農(nóng)業(yè)等多個(gè)方面，基因技術(shù)的發(fā)展將有利于社會(huì)進(jìn)一步的發(fā)展。關(guān)鍵詞:基因芯片;技術(shù);應(yīng)用基因（gene是載有生物體遺傳信息的基本單位，存在于細(xì)胞的染色體（chromosome上。將大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纖維膜等載體上，稱之為基因芯片（又稱DNA芯片、生物芯片。在一塊1平方厘米大小的基因芯片上，根據(jù)需要可固定數(shù)以千計(jì)甚至萬(wàn)計(jì)的基因片段，以此形成一個(gè)密集的基因方陣，實(shí)現(xiàn)對(duì)千萬(wàn)個(gè)基因的同步檢測(cè)?；蛐酒夹g(shù)是近年來(lái)興起的生物高新技術(shù)，把數(shù)以萬(wàn)計(jì)的基因片段以顯微點(diǎn)陣的方式排列在固體介質(zhì)表面,可以實(shí)現(xiàn)基因檢測(cè)的快速、高通量、敏感和高效率檢測(cè)，將可能為臨床疾病診斷和健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，帶來(lái)全新的技術(shù)并開(kāi)拓廣闊的市場(chǎng)。1基因芯片技術(shù)原理及其分類1.1基因芯片的原理：基因芯片屬于生物芯片的一種"其工作原理是:經(jīng)過(guò)標(biāo)記的待測(cè)樣本通過(guò)與芯片上特定位置的探針雜交，可根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則確定靶序列［1］，經(jīng)激光共聚集顯微鏡掃描,以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行比較和檢測(cè)，并迅速得出所需的信息"基因芯片技術(shù)比常規(guī)方法效率高幾十到幾千倍，可在一次試驗(yàn)中間平行分析成千上萬(wàn)個(gè)基因,是一種進(jìn)行序列分析及基因表達(dá)信息分析的強(qiáng)有力工具。1.2基因芯片分類：1.2.1根據(jù)其制造方法可分原位合成法和合成后點(diǎn)樣法；1.2.2根據(jù)所用載體材料不同分為玻璃芯片!硅芯片等；1.2.3根據(jù)載體上所固定的種類可分為和寡核苷酸芯片兩種；1.2.4根據(jù)其用途可分測(cè)序芯片!表達(dá)譜芯片!診斷芯片等2基因芯片技術(shù)常規(guī)流程2.1芯片設(shè)計(jì)根據(jù)需要解決的問(wèn)題設(shè)計(jì)擬采用的芯片，包括探針?lè)N類、點(diǎn)陣數(shù)目、片基種類等。2.2芯片制備將DNA,cDNA或寡核昔酸探針固定在片基上的過(guò)程。從本質(zhì)上可分為兩大類fz｝，一類是在片基上直接原位合成，有光蝕刻法、壓電印刷法和分子印章多次壓印法三種;另一類是將預(yù)先合成的探針固定于片基表面即合成點(diǎn)樣法。2.3樣品制備常規(guī)方法提取樣品總RNA,質(zhì)檢控制。再逆轉(zhuǎn)錄為。DNAo2.4樣品標(biāo)記在逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程中標(biāo)記熒光素等。2.5芯片雜交標(biāo)記的cDNA溶于雜交液中，與芯片雜交。2.6芯片掃描一用激光掃描儀掃描芯片。2.7圖像采集和數(shù)據(jù)分析專用軟件分析芯片圖像，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化,最后以差異為兩倍的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定差異表達(dá)基因。2.8驗(yàn)證用定量PCR或原位雜交驗(yàn)證芯片結(jié)果的可信性。3基因芯片合成的主要方法目前已有多種方法可以將基因片段（寡核苷酸或短肽固定到固相支持物上。這些方法總體上有兩種：3.1原位合成:此方法主要為光引導(dǎo)聚合技術(shù)，它不僅可用于寡聚核苷酸的合成，也可用于合成寡肽分子。光引導(dǎo)聚合技術(shù)是照相平板印刷技術(shù)與傳統(tǒng)的核酸、多肽固相合成技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。半導(dǎo)體技術(shù)中曾使用照相平板技術(shù)法在半導(dǎo)體硅片上制作微型電子線路。固相合成技術(shù)是當(dāng)前多肽、核酸人工合成中普遍使用的方法，技術(shù)成熟且已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。二者的結(jié)合為合成高密度核酸探針及短肽陣列提供了一條快捷的途徑。作原位合成的支持物在聚合反應(yīng)前要先使其表面衍生出羥基或氨基（視所要固定的分子為核酸或寡肽而定并與保護(hù)基建立共價(jià)連接；3.2點(diǎn)樣合成：此方法在多聚物的設(shè)計(jì)方面與原位合成相似，合成工作用傳統(tǒng)的DNA或多肽固相合成儀完成，只是合成后用特殊的自動(dòng)化微量點(diǎn)樣裝置將其以比較高的密度涂布于硝酸纖維膜、尼龍膜或玻片上。作點(diǎn)樣用的支持物為使其表面帶上正電荷以吸附帶負(fù)電荷的探針?lè)肿?，通常需包被以氨基硅烷或多聚賴氨酸等?基因芯片技術(shù)的應(yīng)用4.1在基礎(chǔ)研究中的應(yīng)用4.1.1基因表達(dá)分析同一組織細(xì)胞在不同的發(fā)育階段,不同的外界環(huán)境因素影響下，其基因的表達(dá)模式不同，同一個(gè)體的不同組織器官的基因表達(dá)模式也不同。如何研究眾多基因表達(dá)與否及其表達(dá)豐度是人們關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)的方法一次只能研究某個(gè)基因的表達(dá)情況，遠(yuǎn)不能滿足這一要求,而基因芯片技術(shù)由于具有高并行性、高通量的特點(diǎn)正適合于此研究。芯片雜交在對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行分析中能夠從很少的樣品提供有關(guān)基因表達(dá)差異表達(dá)的信息,對(duì)疾病的診斷、治療和藥物篩選有促進(jìn)作用。4.1.2基因組測(cè)序基因組測(cè)序芯片技術(shù)中雜交測(cè)序技術(shù)和鄰堆雜交技術(shù)都能進(jìn)行高效快速的測(cè)序?；蛐酒夹g(shù)用于測(cè)序提出的較早,Chee等利用135000個(gè)探針的陣列對(duì)人類線粒體基因組測(cè)序，準(zhǔn)確率達(dá)99%以上。4.1.3發(fā)現(xiàn)新基因?qū)ふ液桶l(fā)現(xiàn)新基因是各學(xué)科研究的主要任務(wù)之一。傳統(tǒng)的分子生物學(xué)方法如差異顯示PCR、代表性差異分析法、消減雜交、抑制性消減雜交等以各自獨(dú)特的設(shè)計(jì)策略，有效地發(fā)現(xiàn)了許多相關(guān)的新基因。但這些方法大多局限于對(duì)單個(gè)或幾個(gè)基因的分析，無(wú)法闡明某一生物過(guò)程或某一病理生理過(guò)程中多基因的復(fù)雜作用及其相互調(diào)控關(guān)系，還存在有如所得序列往往是部分片段、對(duì)一些低豐度的基因不易發(fā)現(xiàn)、操作步驟繁瑣費(fèi)時(shí)、假陽(yáng)性率較高、重復(fù)性差、特異性不高、低通量等不足，且受PCR、電泳分辨率等條件的限制?；蛐酒夹g(shù)高通量、高靈敏度、自動(dòng)快速、并行性的特點(diǎn)，在新基因發(fā)現(xiàn)中能克服傳統(tǒng)方法的一些不足,能以極少量的樣品,自動(dòng)化地并行分析數(shù)以萬(wàn)計(jì)的基因在不同時(shí)空上的表達(dá)模式和變化,能滿足多基因參與調(diào)控的復(fù)雜過(guò)程，能以各自不同的研究策略，靈活地設(shè)計(jì)不同的微陣列來(lái)大規(guī)模、快速地對(duì)成千上萬(wàn)的基因進(jìn)行平行篩選，找出有差異表達(dá)的基因,能大大提高對(duì)新基因發(fā)現(xiàn)的效率和可能?；蛐酒夹g(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn):被檢目標(biāo)DNA密度高、樣品用量極少、自動(dòng)化程度高、便于大量篩選新基因等,使得發(fā)現(xiàn)新基因的速度大大提高。Schena等對(duì)T細(xì)胞相應(yīng)與17個(gè)陣列成分的cDNA測(cè)序發(fā)現(xiàn)3個(gè)新基因。4.1.4突變體和多態(tài)性的檢測(cè)基因芯片技術(shù)還可規(guī)模地檢測(cè)和分析DNA的變異及多態(tài)性。Guo等利用結(jié)合在玻璃支持物上的等位基因特異性寡核苷酸（ASOs微陣列建立了簡(jiǎn)單快速的基因多態(tài)性分析方法。將ASOs共價(jià)固定于玻璃載片上，采用PCR擴(kuò)增基因組DNA其一條引物用熒光素標(biāo)記，另一條引物用生物素標(biāo)記，分離兩條互補(bǔ)的DNA鏈,將熒光素標(biāo)記DNA鏈與微陣列雜交,通過(guò)熒光掃描檢測(cè)雜交模式，即可測(cè)定PCR產(chǎn)物存在的多種多態(tài)性，該方法對(duì)人的酪氨酸酶基因第4個(gè)外顯子內(nèi)含有的5個(gè)單堿基突變進(jìn)行分析,結(jié)果顯示單堿基錯(cuò)配與完全匹配的雜交模式非常易于區(qū)別。這種方法可快速、定量地獲得基因信息。4.1.5基因文庫(kù)作圖：采用高密度DNA探針陣列和相應(yīng)的生化與信息學(xué)方法進(jìn)行基因組文庫(kù)克隆排序,該方法對(duì)基因組文庫(kù)中每一個(gè)克隆，都可以檢測(cè)出一個(gè)特征性序列標(biāo)記物,而每一對(duì)克隆中，在標(biāo)記物之間相似性基礎(chǔ)上,測(cè)量其相對(duì)重疊部分，利用該重疊信息,即可連續(xù)性地將文庫(kù)排列成重疊圖譜。4.2在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用4.2.1疾病診斷目前，基因診斷是基因芯片中最具有商業(yè)價(jià)值的領(lǐng)域。許多疾病都與基因相關(guān)，傳統(tǒng)的基因診斷方法往往只能對(duì)單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)基因進(jìn)行檢測(cè)，效率低且準(zhǔn)確性差，利用基因芯片技術(shù)高速、并行、集成化程度高和靈敏度好等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該疾病的快速、簡(jiǎn)便、高效的診斷。4.2.2藥物篩選和藥物開(kāi)發(fā)由于芯片技術(shù)具有高通量、大規(guī)模、平行性等特點(diǎn),可以進(jìn)行新藥的篩選，尤其在對(duì)中藥成分的真?zhèn)舞b定及有效成分的篩選、藥理研究、化學(xué)藥物的合成等方面具有重要的作用。而且用基因芯片作大規(guī)模的篩選研究可以省略大量的動(dòng)物試驗(yàn)，縮短藥物篩選所用時(shí)間;還可以利用基因芯片技術(shù)來(lái)尋找藥物靶標(biāo)，查檢藥物的毒性或副作用，從而在基因組藥學(xué)領(lǐng)域帶動(dòng)新藥的研究和開(kāi)發(fā)。4.2.3避免遺傳病的發(fā)生目前知道有600多種遺傳病與基因有關(guān),婦女在妊娠早期用DNA芯片做基因診斷，可以避免許多遺傳疾病的發(fā)生。在法醫(yī)學(xué)方面,DNA芯片比早先的DNA指紋鑒定更進(jìn)一步，它不僅可以做基因鑒定,而且可以通過(guò)DNA中包含的生命信息描繪生命體的臉形、長(zhǎng)相和外貌特征。此外，基因芯片在病原體診斷、器官移植、細(xì)胞抑制方面等方面也有應(yīng)用。4.2.5藥物研究基因芯片在藥物研發(fā)中的作用有以下幾個(gè)方面：人類基因組芯片在一定程度上代替人體靶組織，為待測(cè)藥物提供了理想的研究對(duì)象；芯片可以用來(lái)分析代謝途徑和信號(hào)調(diào)節(jié)通路。例如通過(guò)研究在某種藥物作用下，機(jī)體藥物代謝過(guò)程相關(guān)基因的表達(dá)變化，進(jìn)而對(duì)所有上調(diào)和下調(diào)的基因的全面研究，能夠發(fā)現(xiàn)一些新的信號(hào)調(diào)節(jié)通路，這些新的調(diào)節(jié)通路則為新藥開(kāi)發(fā)提供了思路；可以確定藥物作用相關(guān)的靶組織，預(yù)測(cè)藥物的副作用，進(jìn)而通過(guò)對(duì)不同組織的藥物選擇性試驗(yàn),使藥物的副作用減少到最小程度；引導(dǎo)醫(yī)藥開(kāi)發(fā)如疫苗和抗菌素的研發(fā)。使用cDNA芯片研究發(fā)現(xiàn)了腦膜炎淋球菌在和宿主表皮細(xì)胞接觸后表達(dá)增高的189個(gè)基因，其中44%的功能是編碼細(xì)胞表面蛋白，這項(xiàng)研究成果為開(kāi)發(fā)預(yù)防腦膜炎淋球菌感染的相關(guān)疫苗提供了可選擇的靶位點(diǎn)；當(dāng)傳統(tǒng)檢測(cè)方法難以追蹤藥物本身或者藥物的臨床效果顯現(xiàn)的間期較長(zhǎng)時(shí)，通過(guò)基因芯片檢測(cè)特定被誘導(dǎo)的基因（藥品代謝相關(guān)的基因，可以為預(yù)知藥效及藥物臨床使用劑量提供一種簡(jiǎn)便的途徑。4.2.6疾病的基因診斷隨著基因芯片使用范圍的增加,其在疾病的早期診斷、分類、指導(dǎo)預(yù)后和尋找致病基因上都有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。在癌癥的診斷上,醫(yī)生們通常依靠檢測(cè)一些基因和蛋白質(zhì)的表達(dá)變化水平來(lái)進(jìn)行診斷。通過(guò)基因芯片技術(shù)對(duì)這些基因的檢測(cè)，可以對(duì)以上疾病進(jìn)行準(zhǔn)確的早期診斷?；蛐酒夹g(shù)還可用于病原菌的鑒定，通過(guò)構(gòu)建多種細(xì)菌的抗原決定簇和毒力因子的基因芯片，可以用于診斷臨床上不明確的感染性疾病的感染源。除上述應(yīng)用外,基因芯片技術(shù)還可以應(yīng)用在新的病原菌的鑒定，流行病學(xué)調(diào)查及微生物的衍化進(jìn)程等方面。4.2.7基因芯片技術(shù)在創(chuàng)傷骨科研究領(lǐng)域的應(yīng)用骨創(chuàng)傷的修復(fù)也涉及多個(gè)基因及復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制1,基因芯片能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)基因組群的表達(dá)進(jìn)行研究，這一特點(diǎn)使其在骨創(chuàng)傷修復(fù)研究中具有其他研究方式所不具備的優(yōu)勢(shì)。在骨的愈合過(guò)程中，力學(xué)環(huán)境、血管發(fā)生和成骨作用的相互依賴性亦被Fang等，通過(guò)生物芯片技術(shù)在基因表達(dá)水平加以證實(shí)。而雌激素通過(guò)復(fù)雜的代謝過(guò)程參與骨折愈合過(guò)程，對(duì)雌激素相關(guān)基因的研究是了解這一復(fù)雜機(jī)制的必要條件。Hatan。等［”］對(duì)骨折愈合過(guò)程中的雌激素相關(guān)基因進(jìn)行表達(dá)譜分析,發(fā)現(xiàn)有52個(gè)相關(guān)基因在卵巢切除的大鼠中下調(diào)，但在給子雌激素后恢熨其中尿激酶纖溶酶原激活子在骨折大鼠模型的軟骨與骨連接部位有-活化軟骨細(xì)胞和破軟骨細(xì)胞的功能，提示u一PA在愈合組織的再吸收和改建過(guò)程中具有重要的作用。4.2.8基因芯片技術(shù)在輸血醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用基因芯片技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)輸血醫(yī)學(xué)事業(yè)發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響，其應(yīng)用潛力將給21世紀(jì)的輸血醫(yī)學(xué)事業(yè)帶來(lái)歷史性的變化?；蛐酒夹g(shù)現(xiàn)在已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域?；蛐酒夹g(shù)在輸血醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,包括血液制品的病毒性指標(biāo)的檢測(cè)與保存、血型鑒定、血液成分單采、輸血相關(guān)性疾病診斷與治療以及目前存在的問(wèn)題。如:利用基因芯片技術(shù)進(jìn)行血液不同血型間的轉(zhuǎn)化，甚至“創(chuàng)造”新血型。對(duì)最常見(jiàn)的紅細(xì)胞ABO血型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)用基因芯片檢測(cè)出不同血型間基因差別,再通過(guò)基因芯片技術(shù)進(jìn)行必要的“剪切”和“裝配”，使其轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰难汀?.2.9中藥的鑒定中藥材通常經(jīng)過(guò)處理而成為干藥材，一般憑性狀辨別不同的類別，有時(shí)連專家也感到困難。尤其是要鑒別外觀類似但藥性及價(jià)值均差別很大的草本藥材，更為棘手。若能將基因芯片技術(shù)用于中藥的鑒別相信可以解決一些難題。利用這一技術(shù)的前提是應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)找出待鑒定中藥的特定寡核苷酸序列,并將其集成在芯片上。然后提取樣本DNA進(jìn)行擴(kuò)增，熒光標(biāo)記后與芯片雜交。若樣本中存在與之互補(bǔ)的序列即可檢測(cè)出來(lái)。李紹平等人將川貝母5SrRNA的一段特異序列做為探針制成芯片，用該芯片能準(zhǔn)確地鑒定出真正的高效低毒、價(jià)格昂貴的川貝母。基因芯片還可用于藥用植物種屬的驗(yàn)證。這種檢測(cè)的方法與上述方法不同，是將針對(duì)藥用植物不同種屬某基因多態(tài)性片段的寡核苷酸探針全部集成于芯片上，并設(shè)計(jì)特異引物，將來(lái)自于不同種屬的PCR產(chǎn)物與芯片雜交，即得到結(jié)果。4.2.10基因芯片技術(shù)在中藥中的應(yīng)用研究進(jìn)展基因芯片技術(shù)是一種高通量篩選的研究手段，可以在同一時(shí)刻對(duì)成千上萬(wàn)個(gè)基因的表達(dá)情況進(jìn)行分析"在藥物研究領(lǐng)域中，基因芯片通過(guò)檢測(cè)藥物對(duì)生物體中基因表達(dá)水平的影響，可從整個(gè)生物分子途徑來(lái)對(duì)藥物藥理和毒理等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)"傳統(tǒng)中藥在中國(guó)使用有上千年的歷史，將這一新興技術(shù)結(jié)合到古老中藥的研究中去，在中藥現(xiàn)代化的進(jìn)程中將是一件很有意義的嘗試"近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已有多家研究機(jī)構(gòu)將基因芯片技術(shù)應(yīng)用到中藥有效成分的篩選!藥理和毒理機(jī)制的闡述及其品質(zhì)鑒定等領(lǐng)域，并已取得了不少成就"4.2.11基因芯片在腦創(chuàng)傷研究中的應(yīng)用腦創(chuàng)傷極為常見(jiàn)，其傷殘率和致死率占全身各部位損傷的首位。所以，對(duì)腦創(chuàng)傷研究的意義猶為突出。怎樣將眾多基因的表達(dá)與腦創(chuàng)傷病情的發(fā)展和預(yù)后相聯(lián)系，怎樣在基因水平上預(yù)防和治療腦創(chuàng)傷及判斷預(yù)后，成為目前研究的重點(diǎn)。自基因芯片技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，已有學(xué)者將其應(yīng)用在腦創(chuàng)傷研究中,并取得一定的進(jìn)展。4.2.12基因芯片在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用后基因組時(shí)代網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)提供了大量人類表達(dá)序列標(biāo)記。采用集成大量ESTs的基因芯片分析樣品，能迅速有效地獲得基因表達(dá)圖譜。通過(guò)比較樣本基因表達(dá)差異、分析基因產(chǎn)物的成分,可以發(fā)現(xiàn)新的疾病相關(guān)基因或線索，衍生出一些新的研究方向用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究。有人利用實(shí)驗(yàn)室利用基因芯片技術(shù)對(duì)大鼠脊髓損傷前后基因表達(dá)譜進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在胚胎期高表達(dá)的膜聯(lián)蛋白（AnnexinII在脊髓損傷后表達(dá)顯著增高,我們對(duì)AnnexinII進(jìn)行了進(jìn)一步研究。結(jié)果顯示AnnexinII蛋白可以顯著減輕神經(jīng)細(xì)胞損傷和死亡，作用方式可能是通過(guò)抑制磷脂酶入（PLAZ進(jìn)行作用。這些現(xiàn)象表明,AnnexinII有希望發(fā)展成為一種神經(jīng)保護(hù)藥物，減輕初次損傷向再次損傷發(fā)展，可用于脊髓損傷治療。4.2.13基因芯片在腫瘤治療方面的應(yīng)用前景基因芯片技術(shù)通過(guò)對(duì)腫瘤基因表達(dá)譜分析，組成腫瘤基因診斷芯片,研究腫瘤基因的功能，既可用于腫瘤普查，又能達(dá)到早期診斷和早期治療的目的"基因芯片要成為臨床診斷和治療腫瘤普遍采用的技術(shù)仍有一些關(guān)鍵問(wèn)題需要解決:現(xiàn)階段芯片檢測(cè)的靈敏度決定了需要首先擴(kuò)增模板，而一般采用PCR方法,不可避免帶來(lái)PCR所具有的局限性"目前采用的熒光標(biāo)記方法存在檢測(cè)靈敏度低的問(wèn)題"芯片雜交的條件高度個(gè)體化，難以形成比較統(tǒng)一的!規(guī)范的雜交環(huán)境，會(huì)給應(yīng)用帶來(lái)障礙"芯片成本及后期信息處理費(fèi)用較高"隨著生命科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這些問(wèn)題將會(huì)被逐步解決，基因芯片在腫瘤臨床治療中會(huì)顯示出越來(lái)越重要的作用.4.3在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用基因芯片技術(shù)可高效檢測(cè)由微生物、有機(jī)物等引起的污染，對(duì)環(huán)境污染物進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià)。同時(shí)能夠幫助研究人員通過(guò)大規(guī)模的篩選制備能夠治理污染源的基因產(chǎn)品或?qū)ふ业奖Ｗo(hù)基因并制備防治危害的基因工程產(chǎn)品。它克服了傳統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)操作繁雜、自動(dòng)化程度低，檢測(cè)效率低等不足，充分利用了生物科學(xué)、信息學(xué)等當(dāng)今前沿領(lǐng)域的研究成果,現(xiàn)在已越來(lái)越廣泛的被應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域中。環(huán)境科學(xué)研究的主要是環(huán)境中的物質(zhì)，尤其是人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物，及其在環(huán)境中的產(chǎn)生、遷移、轉(zhuǎn)變、歸宿等過(guò)程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此，將生物芯片技術(shù)引入環(huán)境科學(xué)研究中有重大意義。生物芯片高信息量快速、微型化、自動(dòng)化、成本低、污染少、用途廣等優(yōu)點(diǎn),很適應(yīng)環(huán)境學(xué)研究中的技術(shù)需求，使其在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。雖然生物芯片技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例還較少，且其自身還有許多問(wèn)題亟待解決（如提高芯片的特異性、簡(jiǎn)化樣品制備和標(biāo)記操作程序、增加信號(hào)檢測(cè)的靈敏度等等，但隨著技術(shù)的發(fā)展與完善，生物芯片技術(shù)必將會(huì)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到環(huán)境科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，給21世紀(jì)人類對(duì)環(huán)境的保護(hù)和治理帶來(lái)一場(chǎng)“革命”。4.3.1基因表達(dá)的檢測(cè)在現(xiàn)在已經(jīng)明確包括人類、酵母菌及一些細(xì)菌等在內(nèi)的多種生物的全基因序列的條件下，基因芯片依靠其高度密集的核苷酸探針，能夠?qū)⒁环N生物所有的基因?qū)?yīng)的mRNA或cDNA或者該生物的全部ORF都編排在一張芯片上，從而簡(jiǎn)便地檢測(cè)每個(gè)基因在不同環(huán)境下的轉(zhuǎn)錄水平。整體分析多個(gè)基因的表達(dá)則能夠全面并且非常準(zhǔn)確地揭示基因產(chǎn)物和其轉(zhuǎn)錄模式之間的關(guān)系。同時(shí)，細(xì)胞的基因表達(dá)產(chǎn)物決定了細(xì)胞的生化組成、細(xì)胞的構(gòu)造、調(diào)控系統(tǒng)及功能范圍,根據(jù)已知基因表達(dá)產(chǎn)物的特性，基因芯片技術(shù)能夠全面、動(dòng)態(tài)地了解生活細(xì)胞在分子水平的活動(dòng)。4.3.2基因突變點(diǎn)的定位基因序列的變異是物種間及物種內(nèi)差異的主要原因，也是疾病狀態(tài)和正常狀態(tài)下表型差異的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。利用基因芯片技術(shù)對(duì)這些突變點(diǎn)的定位、確認(rèn)及分類是診斷基因疾病的基礎(chǔ)。寡核苷酸芯片對(duì)于檢測(cè)密切相關(guān)的變異基因序列有很好的操作性，能夠指出變異位點(diǎn)、被代替的核苷酸及變異特性;但不適用于有大的插入、缺失片段的檢測(cè)以及多態(tài)性分析。微小序列芯片是一種搜尋所有可能序列變化的有力工具，它將雜交反應(yīng)和酶引物擴(kuò)增反應(yīng)結(jié)合在一起,在雜交反應(yīng)中以寡核苷酸作為探針，其5,端通過(guò)一個(gè)末端連接被限制反應(yīng)，使3端的自由-OH暴露出來(lái)。引物擴(kuò)增反應(yīng)使用了標(biāo)記的三磷酸雙脫氧核苷酸。雜交反應(yīng)后，雜交體和寡核苷酸探針?lè)謩e作為模板和引物，反應(yīng)后可以在熒光顯微鏡下觀察從3'端伸出的不同長(zhǎng)度的雙脫氧核苷酸鏈，以確定目標(biāo)核苷酸序列。4.4基因組及基因的研究因?yàn)榛蛐酒哂懈呙舾行院透邷?zhǔn)確性,近來(lái)有研究利用此特性研究酵母基因組的復(fù)制活動(dòng)，通過(guò)對(duì)酵母基因組在S期上千個(gè)位點(diǎn)DNA拷貝數(shù)的比較，發(fā)現(xiàn)了其復(fù)制起點(diǎn);同時(shí)還研究了復(fù)制叉在基因組的移動(dòng)與S期復(fù)制和轉(zhuǎn)錄活動(dòng)的關(guān)系［12］。另外,在多種腫瘤的研究中，通過(guò)比較腫瘤發(fā)生的相關(guān)基因的DNA拷貝數(shù)，發(fā)現(xiàn)了一些新的基因。4.7基因芯片技術(shù)在病原微生物研究中的應(yīng)用4.7.1基因芯片技術(shù)在病毒研究中的應(yīng)用4.7.1.1病毒的分型基因芯片是基于堿基互補(bǔ)的原理直接對(duì)病原體核酸進(jìn)行檢測(cè)，將來(lái)的診斷芯片有可能同時(shí)對(duì)所有肝炎病毒進(jìn)行檢測(cè)，具有非常大的發(fā)展前景［8］”吳海等（2001［9］以HBV!HCV高度保守的基因片段為探針，制備成/乙型!丙型肝炎病毒雙檢基因芯片0"檢測(cè)時(shí)抽提患者血清中的病毒核酸，同時(shí)對(duì)不同血清（正常人血清，乙肝E抗原陽(yáng)性血清，丙肝RNA陽(yáng)性血清,乙肝!丙肝陽(yáng)性混合血清能有效檢測(cè)區(qū)分”4.7.1.2病毒感染對(duì)宿主細(xì)胞基因表達(dá)的影響感染人巨細(xì)胞病毒HCMV后,宿主細(xì)胞的基因表達(dá)水平有所改變,利用基因芯片可以檢測(cè)到mRNA的細(xì)微變化，利用病毒DNA芯片，在基因組水平上快速!平行地分析基因表達(dá)，通過(guò)病毒基因表達(dá)對(duì)藥物敏感性的動(dòng)力學(xué)觀察了解藥物的作用機(jī)制，可以用于藥物篩選和臨床治療"4.7.1.3病毒感染的診斷將病毒的一段高度保守的基因片段，用芯片點(diǎn)樣儀點(diǎn)樣到包被過(guò)的玻璃片上,制備成檢測(cè)芯片"提取樣品中的RNA,進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄和熒光標(biāo)記后滴加到芯片上進(jìn)行特異性雜交，對(duì)雜交結(jié)果進(jìn)行掃描檢測(cè)，可同時(shí)診斷上述5種動(dòng)物傳染病，此方法不但快速!準(zhǔn)確!敏感,而且可同時(shí)進(jìn)行多種病毒的檢測(cè)"4.8基因芯片在食品檢測(cè)中的應(yīng)用4.8.1細(xì)菌檢測(cè)基因芯片技術(shù)細(xì)菌檢測(cè)，在PCR基礎(chǔ)上的病原檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用,大大縮短了診斷時(shí)間，使那些不能培養(yǎng)或很難培養(yǎng)的細(xì)菌也得到快速診斷。Anthony等人建立了1個(gè)在4h以內(nèi)致病細(xì)菌的快速診斷方法。他們運(yùn)用該法對(duì)158例經(jīng)血培養(yǎng)鑒定為陽(yáng)性的樣品進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果符合率為79.9%Carl等在對(duì)4種細(xì)菌，即大腸埃希菌、痢疾桿菌、傷寒桿菌、空腸彎曲菌采用了基因芯片的檢測(cè)方法，其檢測(cè)結(jié)果不僅敏感度高于傳統(tǒng)方法，且操作簡(jiǎn)單，重復(fù)性好,并節(jié)省了大量時(shí)間，大大提高了4種細(xì)菌診斷效率。選擇從水、食品和臨床樣品中分離有關(guān)致病菌或衛(wèi)生指標(biāo)菌，并以沙門菌、志賀菌和大腸埃希菌的標(biāo)準(zhǔn)菌株作對(duì)照，觀察基因芯片檢測(cè)致病菌的敏感性、特異性，并與常規(guī)檢測(cè)方法、PCR檢測(cè)方法作對(duì)比。結(jié)果表明,采用基因芯片技術(shù)幾乎可以檢測(cè)上述所有的細(xì)菌，檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)方法符合率為98%,與PCR檢測(cè)結(jié)果的一致性為96.3%?；蛐酒夹g(shù)檢測(cè)時(shí)間約4h;WPCR檢測(cè)需要8h;傳統(tǒng)的方法需要25d。基因芯片技術(shù)引入微生物檢測(cè)領(lǐng)域?yàn)榻⒖旖莞咝У臋z測(cè)方法提供了技術(shù)平臺(tái)，用于食品、水質(zhì)中常見(jiàn)細(xì)菌、霉菌檢測(cè)的基因芯片已經(jīng)問(wèn)世4.8.2病毒的檢測(cè)病毒由1個(gè)DNA芯子和1個(gè)蛋白外殼組成。按宿主不同主要分為植物病毒、動(dòng)物病毒。其中與人類最密切相關(guān)的是動(dòng)物病毒，特別是一些能為人類提供主要肉食來(lái)源的動(dòng)物。人們捕殺或食用了帶病毒的動(dòng)物而使人類感染患病，如瘋牛病病毒、口蹄疫病毒、SARS病毒，又如近幾年在東南亞各國(guó)爆發(fā)的禽流感，除引起禽類大量死亡外,也使數(shù)十人感染身亡。由于目前人類掌握的醫(yī)療技術(shù)還不能有效地治療病毒性疾病，所以對(duì)于這些可通過(guò)飲食傳播，并會(huì)傳染給人的病毒的有效檢測(cè)就成為預(yù)防和控制疾病的首要措施,基因芯片技術(shù)是近幾年運(yùn)用的病毒檢測(cè)新技術(shù)之一。現(xiàn)在世界各國(guó)都在積極地進(jìn)行能夠?qū)θ祟悩?gòu)成危害的各種病毒快速檢測(cè)芯片的研究。楊素等用分子克隆方法獲得口蹄疫病毒、水泡性口炎病毒、藍(lán)舌病病毒、鹿流行性出血熱病毒和赤羽病病毒各一段高度保守的基因片段，可同時(shí)診斷上述5種動(dòng)物傳染病，此方法不但快速、準(zhǔn)確、敏感，而且可同時(shí)進(jìn)行多種病毒的檢測(cè)。周琦等也研制出用于檢測(cè)SARS病毒的全基因芯片,共660條病毒探針，覆蓋了SARS冠狀病毒的全部序列，應(yīng)用該基因芯片可對(duì)病人、出入境食品、動(dòng)植物及其產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)。4.8.3對(duì)轉(zhuǎn)基因食品和食品原料的檢測(cè)4.8.3.1轉(zhuǎn)基因源食品基因修飾食品，又被稱為轉(zhuǎn)基因食品或基因工程食品。在歐盟新型食品條例中將基因修飾食品定義為:“一種由經(jīng)基因修飾的生物體生產(chǎn)的或該物質(zhì)本身的食品?！本唧w包括2類:包含基因修飾組分的食品和食品基料;由基因修飾生物生產(chǎn)，但并不包含基因修飾組分的食品。我國(guó)及菲律賓利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育出“超級(jí)水稻”和“超超級(jí)水稻”。我國(guó)培養(yǎng)生長(zhǎng)速度快、節(jié)約餌料的轉(zhuǎn)基因魚(yú)上萬(wàn)尾。上海醫(yī)學(xué)遺傳研究所與復(fù)旦大學(xué)合作的轉(zhuǎn)基因羊的乳汁中含有人的凝血因子,既可以食用,又可以藥用,為通過(guò)動(dòng)物廉價(jià)生產(chǎn)人類的珍貴藥物邁出了重大的一步。轉(zhuǎn)基因食品開(kāi)始進(jìn)入我們的生活。4.8.3.2轉(zhuǎn)基因食品的安全性對(duì)于轉(zhuǎn)基因食品的安全問(wèn)題目前還有較大的爭(zhēng)論，且目前還沒(méi)有通用的檢測(cè)方法,而基因芯片技術(shù)可以快捷準(zhǔn)確地對(duì)其檢測(cè)。將目前通用的報(bào)告基因、抗性基因、啟動(dòng)子和終止子的特異片斷制成檢測(cè)芯片與待測(cè)產(chǎn)品的DNA進(jìn)行雜交,就可以判斷待測(cè)樣品是否為轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品?；蛐酒夹g(shù)不但可對(duì)轉(zhuǎn)基因食品進(jìn)行定性檢測(cè),還可以定量的檢測(cè)其種類。利用該技術(shù)既可檢測(cè)食用成品，也可檢測(cè)鮮活的動(dòng)植物材料。其靈敏性好、自動(dòng)化程度高、特異性強(qiáng)、假陽(yáng)性低、簡(jiǎn)便快速及準(zhǔn)確率高是一門極有發(fā)展前途的技術(shù)。該技術(shù)可靠性已被對(duì)大豆、玉米、油菜、棉花等農(nóng)作物樣品的檢測(cè)結(jié)果所證實(shí)。另外，利用該技術(shù)也可以篩選轉(zhuǎn)基因所需要的目的基因。在農(nóng)業(yè)上，基因芯片篩選發(fā)生基因突變的食品原料作物;尋找高產(chǎn)、抗蟲(chóng)、抗病、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的作物，進(jìn)行農(nóng)藥的篩選;檢測(cè)各種作物的基因組;通過(guò)比較差異表達(dá)尋找新基因。4.8.3.3對(duì)食品營(yíng)養(yǎng)成分等的檢測(cè)基因芯片技術(shù)在食品中的應(yīng)用成為新的研究領(lǐng)域,利用基因芯片技術(shù)研究食品的營(yíng)養(yǎng)成分，營(yíng)養(yǎng)素與蛋白和基因表達(dá)的關(guān)系，將為揭示肥胖的發(fā)生機(jī)理和預(yù)防打下基礎(chǔ)。Wodicka采Affymetrix公司制作酵母基因表達(dá)型芯片,對(duì)在營(yíng)養(yǎng)豐富及營(yíng)養(yǎng)貧乏2種培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的酵母細(xì)胞的基因表達(dá)情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)及核糖體蛋白基因的表達(dá)基本穩(wěn)定，與培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)豐富與否關(guān)系不大。但是，一些目前尚未闡明功能基因的表達(dá)是與培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)有關(guān)。在營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)，有140個(gè)基因表達(dá)增加;而在營(yíng)養(yǎng)豐富時(shí)，有36個(gè)基因表達(dá)較多。Lvakhovith等應(yīng)用DNA芯片技術(shù)檢測(cè)1,5一二羥維生素D3處里過(guò)的乳腺癌細(xì)胞的FGF-7的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)無(wú)論在mRNA水平還是蛋白水平都有明顯的增加，從而首次揭示了維生素D可能通過(guò)調(diào)節(jié)FGF-7的表達(dá)而調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)分化。4.8.3.4轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)廣泛收集用于轉(zhuǎn)基因技術(shù)的啟動(dòng)子!目的基因（如抗病基因!抗蟲(chóng)基因等和標(biāo)記基因的EST序列,制成基因芯片，可以對(duì)轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)彳丁檢測(cè)"SuzukiM等使用寡聚核苷酸微陣列分析了攜帶35S:VP1的擬南芥轉(zhuǎn)基因植株”用基因芯片分析鑒定了353個(gè)VP1/ABA調(diào)控的基因"這些基因中的73%在植物組織中受VP1和ABA的影響，這顯示了ABA信號(hào)傳導(dǎo)和VP1功能之間的緊密聯(lián)系"AbeH等報(bào)道了rd22啟動(dòng)子區(qū)域MYC和MYB識(shí)別位點(diǎn)在干旱誘導(dǎo)的rd22基因的表達(dá)中是作為順式作用元件發(fā)揮功能的"Sinvany-VillaloboG等利用70-mer的寡核苷酸微陣歹列研究了擬南芥線粒體和葉綠體中多基因家族成員在不同的生長(zhǎng)條件刺激下的轉(zhuǎn)錄變化情況。5基因芯片在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用5.1基因芯片在植物病毒檢測(cè)中的應(yīng)用基因芯片將與核酸分子雜交完美結(jié)合，通過(guò)對(duì)植物病毒基因組分析,將該病毒的外殼蛋白等高度保守序列作為鑒定指標(biāo)，可以直接對(duì)植物病毒提取液進(jìn)行檢測(cè)”因其利用核酸雜交的特異性高的特點(diǎn)，通過(guò)平行分析擴(kuò)增產(chǎn)物來(lái)快速!準(zhǔn)確地鑒別多種病原體，避免了技術(shù)使用過(guò)程中由于非特異性產(chǎn)物增多導(dǎo)致假陽(yáng)性檢測(cè)結(jié)果的出現(xiàn)，可用于高通量!大規(guī)模的病毒分型”由于隨機(jī)突變的發(fā)生，單核苷酸的多態(tài)性使相同基因型病毒的不同株的雜交結(jié)果不同，基因芯片的檢測(cè)結(jié)果可為不