基因芯片技术应用的研究进展

基因芯片技术应用的研究进展[摘要]基因芯片技术是一种高新生物技术，因具有高通量、并行性、微型化与自动化等特点，能够迅速解析特定生物过程中基因表达变化，在生命科学中日益显示出其重要的理论与实际应用价值，在科学研究中发挥重要作用.本文介绍食品微生物检测、植物病虫害检测、染色体核型异常分析和肺结核诊断四个方面的研究进展.[关键词]基因芯片；研究进展基因芯片，又称为DNA芯片、DNA微阵列.基因芯片通过微加工技术，将数以万计、乃至百万计的特定序列的DNA片段（基因探针），有规律地排列固定于硅片、玻片等支持物上，构成一个二维DNA探针阵列，与计算机的电子芯片十分相似，所以被称为基因芯片.美国Affymetrix生物公司于1996年制造出世界上第一块商业化的基因芯片.由此掀起了基因芯片研究热潮,出现了多种类型的基因芯片制作技术.如电压打印法，机械打点法；电定位技术等.基因芯片技术为“后基因组计划”时期基因功能的研究及现代生命科学的发展提供了强有力的工具,作为一个生物技术平台,在生命科学的许多领域得到广泛的应用，如DNA测序、基因筛选、天然免疫分子的检测以及肿瘤标志物的检测等.1基因芯片技术原理基因芯片是一种小型分析装置,能够快速和精确地研究生物体、组织、器官或细胞内基因组的遗传息.制作基因芯片时,可用机械臂将大量已知或未知序列的DNA片段点在玻璃片(通常为2cm×2cm)、金属片或尼龙膜上,再经过物理吸附作用使之固定化.也可以直接在玻璃板或金属表面进行化学合成,从而得到寡核苷酸芯片.将芯片与待研究的cDNA或其他样品杂交,经过计算机扫描和数据处理,便可以观察到成千上万个基因在不同组织或同一组织不同发育时期或不同生理条件下的表达情况.荧光标记的cDNA与芯片上相匹配的DNA序列发生杂交反应,使得芯片上的点呈现出荧光信号,荧光信号的强度和基因表达的丰度成正相关.基因芯片这种微型化装置具有大的容量,使科学家能在一个实验中分析整个基因组的变化,用基因芯片进行研究包括五个步骤:生物学问题的提出、样品制备、生化反应检测和数据模型分析.2基因芯片实验操作程序基因芯片技术主要包括4个基本技术环节：基因芯片的制备、样品的制备、杂交反应、信号检测与分析.2.1基因芯片的制备基因芯片的制备将cDNA或寡核苷酸等按顺序排列在玻璃片或硅片上.芯片的制备除了用微加工工艺外，还有使用机器人，能将海量不同的DNA分子放在面积很小的高密度基因芯片上.2.2样品的制备生物样品一般是复杂的生物分子复合体，多数不能直接和芯片反应，需提取出mRNA或总RNA，用oligo-dT为引物，加入含有荧光标记的dNTP进行高效而且特异性强的扩增，这样可提高检查的准确性和灵敏度.2.3杂交反应杂交反应是芯片检测中最重要的一步，需根据不同的实验目的选择合适的反应条件.将靶基因经过变性后与芯片上的探针进行分子杂交，根据探针类型及芯片用途，优化反应条件，尽量降低生物分子间的错配率，获得最能体现生命本质的信息.芯片分子杂交的特点是探针固化，样品荧光标记，一次能大量的检测生物样品，检测方便，所耗时间短.2.4信号检测与分析信号检测与分析用的最多的是将芯片放入芯片扫描仪中，扫描仪发射激光照射在样品上激发荧光，样品与探针严格杂交的，产生荧光信号高，不完全杂交的，热稳定性低，荧光强度弱，不能杂交的检测只能检测到芯片上的荧光信号.通过采集各个反应位点的荧光位置和强弱，传至计算机相关软件处理分析图像，即可得到大量的生物信息.3基因芯片技术的应用2.1食品微生物检测将各种基因寡核苷酸点样于芯片表面，微生物样品经处理后进行核酸提取和核酸扩增，再用荧光素对其进行标记，然后与芯片上的寡核苷酸点杂交，最后通过扫描仪定量和分析荧光分布模式来确定检测样品是否存在某些特定微生物.基因芯片的基本原理与核酸杂交相似，但它将大量按检测要求设计好的探针固化，仅通过一次杂交便可检测出多种靶基因的相关信息，具有高通量、多参数同步分析，快速全自动分析，高精确度、高精密度和高灵敏度分析的特点，是目前鉴别有害微生物的最有效的手段之一.2.2植物病虫害检测传统ELISA操作繁琐，耗时长，PCR法有一定漏检率，而植物病虫害基因芯片检测灵敏度高、重复性好及能精确地鉴别种或种群的病害.制备检测植物病虫害的基因芯片，需将特征基因片段或各种疾病的基因片段点样，固定于载体上，与需检测的样品杂交后由扫描仪扫描，计算机分析，判断结果.因此芯片一次筛选可获得大量信息来判断不同种属的病原菌，方法传统ELISA传统PCR法基因芯片检测法检测对象蛋白基因基因检测原理抗原-抗体反应基因扩增基因扩增及确定序列检测品种单一检测单一检测同时多项检测结果分析显色反应操作电泳分析不能确定特定序由光纤光谱仪和计算机分析复杂列能确定特定序列检测效果有一定的漏检率有一定假阳性和漏检率准确、灵敏、可靠耗时约18h约3.5h几十分钟成本高高低表1传统ELISA、传统PCR法和基因芯片检测法的特点比较2.3染色体核型异常分析分子生物学技术是对染色体核型异常分析的重要补充，目前主要有基因芯片、二代测序技术等.基因芯片技术作为一项较成熟的分子生物学分析手段，已经在多个实验室开展了广泛的应用，目前主流的SNP（SingleNucleotidePolymorphisms）基因芯片也集成了近10万个SNP基因座，可一次性完成全基因组的微缺失微重复的分析，分辨率可达100kb，是染色体分析的重要技术方法.基因芯片技术可以检出染色体的微缺失，从而提高了染色体异常的分析精度.2.4肺结核诊断结核病的病原学诊断，目前临床上还是主要依赖于传统的涂片法和培养法.涂片法敏感度较低，特异度较差;作为金标准的液体培养法加药物敏感性试验(简称“药敏试验”)方法耗时长，需要4－8周才能获得结果，且程序繁琐，重复性差，对结核病尤其是耐药结核病的早期诊断治疗带来了障碍.因此，临床迫切需要一种新型、快速、准确的检测方法，快速完成结核分枝杆菌(Mtb)检测及耐药性分析，为临床治疗争取时间.近年来应用分子生物学诊断技术检测Mtb成为传统诊断方法的重要补充，也是结核病快速诊断主要的研究方向.基因芯片技术是一种新型核酸检测方法，可快速检测结核分枝杆菌耐利福平和异烟肼3个基因(ropB、KatG、inhA)的常见突变位点，并鉴定非结核分枝杆菌属.利用仪器对患者标本经过标本处理－核酸提取－PCR扩增－杂交反应－芯片扫描－自动判读，发现突变的耐药基因.根据Mtb的耐药性与基因突变有关的分子机制，通过检测位点的突变情况判断耐药性，如利福平耐药相关基因ropB、异烟肼耐药相关基因KatG、inhA.如果耐药相关基因为野生型，判断为相应药物敏感，如耐药相关基因为突变型，判断为相应药物耐药.基因芯片技术诞生于上个世纪90年代，发展到今天不过短短十几年的时间.虽然基因芯片技术还存在这样或那样的问题(如昂贵的制作价格,不够灵敏的检测技术)，随着研究的不断深入和技术的更加完善，基因芯片技术一定会在生命科学研究领域发挥出非凡的作用.[参考文献][1]康红,樊平,郭兴才,陈瑞慧,张红.基因芯片技术在胃癌诊断及治疗中的应用.现代肿瘤医学.2016,14(4):2293-2296.[2]熊伟.基因芯片技术在生命科学研究中的应用进展及前景分析.生命科学仪器.2010,8(4):32-36[3]肖翔,官春云,尹明智,李栒,官梅.基因芯片技术在农业中应用的研究进展.中国农学通报.2012,28(33):187-193[4]佘灵顺.基因芯片技术及其在食品检测中的应用.分析检测.2018.07.030:91-93[5]庞婉容，孙雷，龙驹，樊祖茜，宋传路，唐维骏，邱盛盈.结合基因芯片分析的染色体核型异常个体的产前诊断.中国优生与遗传杂志.2018.26(4):19-21[6]陈蕾.基因芯片法在肺结核诊断中的临床应用价值.临床肺科杂志.2017,22(10):1879-1883.[7]刘雨潇，刘士敏，王民，于瑞敏，胡冰冰.分子生物学方法在食品微生物检测中的应用.生物技术通讯.2009,02.41:451-454