基因芯片技术

基因芯片技术State-of-theart*许呈库*GrahamRamsay,NatureBiotechnology1998,16:40一基因芯片的基本概念及发展经过基因芯片(Genechip)又称DNA芯片（DNAChip）或生物芯片(Biologicalchip，不过该词尚包括肽芯片等其它类型),它是指将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布进而对靶分子的序列和数量进行分析。早在八十年代初有人就曾设想利用计算机半导体技术生产基因芯片以对人类基因组大量的遗传信息进行分析和检查，但直到光引导原位合成(light-directedinsitusynthesis)高密度探针技术和激光共聚焦显微扫描问世之后才使该设想逐步成为现实，并迅速应用到分子生物学的多个领域，得到了科学界的高度重视。二基因芯片技术与传统杂交检测方式的比较•操作自动化程度一次可检测的序列个数总体效率基因芯片技术简便很高极大很高传统杂交方法复杂很低很小很低基因芯片技术从本质上说与SouthernBlotting或NorthernBlotting相同（所以Affymetrix曾与Southern就专利问题产生冲突），只是探针密度极高而已。不过，为此花费了大量的人力物力从事研制工作。当然，其结果也很是诱人。三、基因芯片的基本构造1.支持物：如玻片、硅片、NC膜、Nylon膜2.探针：高密度的探针序列按照一定的次序固定在支持物上，每个位点的序列是已知的外观探针支持物剖面图平面局部放大四、基因芯片当前研究状况现在全世界已有十多家公司专门从事基因芯片的研究和开发工作，而且已有较为成型的产品和设备问世。这些公司主要以美国的Affymetrix公司为代表，该公司聚集有多位计算机、数学和分子生物学专家，其每年的研究经费在一千万美元以上，且已历时六七年之久，拥有多项专利。产品即将或已有部分投放市场，产生的社会效益和经济效益令人瞩目。五、基因芯片的主要类型基因芯片以其片基(substrate)的不同可以分为无机片基和有机合成物片基。前者主要包括半导体硅片和玻璃片，其上的探针主要以原位聚合的方法合成，后者主要有特定孔径的硝酸纤维膜和尼龙膜，其上的探针主要是预先合成后通过特殊的微量点样装置或仪器滴加到片基上去。片基探针固定方式探针密度显色及检测方式钢性片基如玻片、半导体硅片等原位合成（insitusynthesis）高荧光，激光共聚焦扫描、定量分析；生物传感器等薄膜片基如NC、Nylon膜等预先合成后点样(off-chipsynthesis)低荧光基因芯片的主要类型及其简要特点不过，也有人(RobertS.Matson)等以聚丙烯膜为支持物用传统的亚磷酰胺固相法原位合成高密度探针序列。六、基因芯片检测原理及简要过程PCRT7promoterT7promoter体内转录片段化1.5小时杂交、冲洗ACGT扫描分析1小时荧光素图2样品处理与检测过程简图基本过程–用生物素标记并经扩增（也可使用其它放大技术）的靶序列或样品然后再与芯片上的大量探针进行杂交–用链霉亲和素(streptavidin)偶联的荧光素（常用的荧光素还有lassamine和phycoerythrin）进行显色–图象的采集用落射荧光显微镜(epifluorescencemicroscope)、激光共聚焦显微镜或其它荧光显微装置对片基扫描–由计算机收集荧光信号，并对每个点的荧光强度数字化后进行分析。七、基因芯片技术的应用•利用基因芯片进行杂交测序基因芯片不仅可对大量基因或序列同时、快速进行定性、定量分析，而且作为一种极有发展前途的测序策略也倍受人们的重视。以图5为例，首先将八聚体寡核苷酸所有可能的序列组合合成或固定于片基上，对于每一序列其在片基上的位置是预先决定好的。样品扩增并经标记后与片基上所有序列进行杂交反应。这样，就会出现特定的杂交图谱，有杂交信号部位的寡核苷酸片段与待测样品序列是互补的最后分析产生杂交信号的寡核苷酸序列的重叠情况进而推导出样品的核酸序列。利用基因芯片进行杂交测序的原理1ATACGTTA2GTTAGATC3ACGTTAGA4CGTTAGAT5GTTAGATCDNA样品TATGCAATCTAG与基因芯片上65,000种可能的八聚体进行杂交从而形成特定的结合图形计算机分析杂交图象并由探针的重叠情况推导样品的核酸序列1ATACGTTA3TACGTTAG4ACGTTAGA2CGTTAGAT5GTTAGATC3TACGTTAG4ACGTTAGA2CGTTAGAT互补序列为：ATACGTTAGATC样品序列为：TATGCAATCTAG•基因芯片技术与生物传感器的结合应用•基因芯片技术在分子免疫学中的应用•基因芯片技术在基因表达谱测定中的应用•基因芯片技术在突变检测及多态性分析方面的应用•基因芯片技术在基因组文库作图中的应用