生命科学概论论文

1、生命科学概论论文基因芯片的发展与前景一 基因芯片技术研究进展1. 基因芯片的制备。 在制备基因芯片时要考虑阵列的密度、 再生 性、操作的简便性、成本的高低等几方面的因素 。光引导合成法与 喷墨打印法、合成点样法相比，最大的优点是 : 它可以合成密度极高 的阵列；但它的最大缺点是耗时、操作复杂，而且为保证在不同位点 加上不同的单体， 从而在不同的位点合成不同的探针， 需要不断更换 不同的蔽光膜，对一个含 25 个碱基的探针的微阵列， 一般需更换 100 个蔽光膜， 需 1 天多的时间才能完成。 合成点样法虽然芯片上探针的 密度相对较低，每个样品都要预合成、纯化，在芯片制备前还需妥善 保存合成的探

2、针， 但是它的最大优点是操作简便。 光纤生物传导芯片 最大的优点则是检测快速( 10分钟)、灵敏度高( 10 nmol/L )。2. 样品的获得与标记。 由于目前的检测体系还不能检测出未扩增 的标记样品，所以待测样品 DNA在杂交前一般都要进行聚合酶链反应 (PCR)，在扩增的过程中，对靶 DNA进行标记。 目前 DNA样品的扩增一般是通过液相反应来完成， 但由于低浓度核酸 很难检测到，在溶液中通过 PCR反应获得线性扩增也很困难；另外， 不同靶 DNA对引物的竞争，意味着某一序列的扩 增优于其他序列。为了解决上述问题，一些公司正在研究新的方法。 如固相 PCR系统，该系统是将 2 种引物排列

3、在丙烯酰胺膜上，与 DNA 样品、 PCR试剂混合，如样品含有靶序列，则开 始扩增反应；通过这种固相 PCR体系，可避免对引物的竞争，同时也 降低了遗留污染。样品的标记主要是荧光标记。荧光标记基本分为 2 种，一种是使用荧光标记的引物， 一种是使用荧光标记的三磷酸脱氧 核糖核苷酸。根据扩增产物分离的方法不同，标记的方法也不同：进 行单引物标记的， 其扩增产物通常由聚丙烯酰胺凝胶电泳分离； 对一 个引物用生物素标记， 另一个引物用荧光素标记的， 一般用亲合素偶 联的磁珠捕捉其扩增产物， 通过变性处理使荧光标记的产物解链。 此 外，也有用生物素残基标记引物， 将生物素标记的扩增产物与芯片杂 交，洗

4、涤后加入亲合素连接的荧光物， 通过生物素与亲合素的结合及靶序列与探针的结合产生荧光信号， 然后利用荧光检测系统对荧光信 号进行检测。3. 杂交反应。杂交反应是一个复杂的过程，受很多因素的影响， 而杂交反应的质量和效率直接关系到检测结果的准确性。 这些影响因 素包括：（1）寡核苷酸探针密度的影响。（2）支持介质与杂交序列间的间隔序列长度的影响。（3）杂交序列长度的影响。（4）GC含量的影响。（5）探针浓度的影响。（6）核酸二级结构的影响。4. 信号检测。生物芯片的 2 个关键技术是芯片的制备与结果 检测。目前荧光检测主要有 2 种：激光共聚焦荧光显微扫描和 CCD荧 光显微照相检测。前者检测灵敏

5、度、分辨率均较高， 但扫描时间长；后者扫描时间短，但灵敏度和分辨率不如前者。虽然 荧光检测在芯片技术中得到了广泛的应用， 但是荧光标记的靶 DNA只 要结合到芯片上就会产生荧光信号，而目前的 检测系统还不能区分来自某一位点的荧光信号是由正常配对产生的， 还是单个或 2个碱基的错配产生的， 或者兼而有之， 甚或是由非特异 性吸附产生的，因而目前的荧光检测系统还有待于进一步完善与发 展。有研究者正试图绕过荧光标记，建立新的检测系统，以提高杂交 信号检测的灵敏度。5. 基因芯片的应用。基因芯片技术由于可在 1 次反应中对 1 个 样品进行大量杂交反应， 并可对这些杂交信号进行平行分析， 因而被 广泛

6、用于 DNA序列分析、 特别是杂交测序和邻堆杂交技术。 以上技术 的应用和发展，使人类基因组计划的研究工作得到了很大的提高。随着 cDNA芯片的发展，芯片技术在基因表达的监测及疾病诊断 的研究中正在得到广泛应用。 其基本原理是用 2 种不同荧光染料标记 的靶序列同时与同 1个 cDNA芯片杂交，通过不同颜 色的荧光信号强度分析即可反映出基因表达的变化。 Pollack 等分别 用 Cy5（红色）和 Cy3（ 绿色）标记来自乳腺癌患者细胞及正常人白细 胞的 DNA样品，然后与来自乳腺癌患者及正常人细胞的 cDNA构成的 微阵列杂交， 产生不同颜色的荧光信号， 其中红色代表增加的 DNA拷 贝数，

7、绿色代表减少的 DNA拷贝数，黄色代表 DNA拷贝数没有变化。 经上述比较，分析乳腺癌患者基因拷贝数的变化。 Wang等用类似技 术分析了与卵巢癌的发展有关的基因。此外，芯片技术还可用于基因组比较分析， Wilson 等用 2 种荧 光染料分别标记药物处理前以及药物处理后的结核杆菌 DNA，然后与 包括结核杆菌 97%开放阅读框架的 DNA构成的微阵列杂交，通过不同 颜色的荧光信号强度分析发现该药物诱导多个基因表达。 Livache 等 将 HCV的 5 UTR区及其型特异探针固定于硅芯片上， 与不同标本的、 扩增标记的 DNA样品杂交， 从而对其进行基因分型，结果表明，该技 术用于基因分型灵

8、敏度很高 . 尽管基因芯片的应用得到迅速发展，一 些公司相继开发出自己的产品，其中 p53 基因芯片可检出大于 80%的 抑癌基因的突变， 假阳性率很低 （2%）；人免疫缺陷病毒 （HIV）PRT 440 也已广泛用于 HIV1 病毒的测序、分型及多态性分析。但由于该技术 较为复杂，且成本高，目前对其的应用仍大多停留在实验室研究阶段， 离临床检验及疾病诊断的普及性应用还有一段距离。二 生物芯片的应用前景 生物芯片技术因其可在一次反应中进行多种信息的平行分析， 而 受到众多研究者的瞩目， 特别是基因芯片在人类基因组计划的研究工 作中的应用， 不仅极大地促进了该项工作的进行， 也使芯片技术在短 短

9、的几年间得到了长足的发展 . 在实际应用方面，生物芯片技术可广 泛应用于疾病诊断和治疗、药物基因组图谱、药物筛选、中药物种鉴 定、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防 等许多领域。它将为人类认识生命的起源、遗传、发育与进化、为人 类疾病的诊断、 治疗和防治开辟全新的途径， 为生物大分子的全新设 计和药物开发中先导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提供技 术支撑平台，这从我国 99年 3 月国家科学技术部刚起草的医药生 物技术“十五”及 2015 年规划中便可见一斑：规划所列十五个关 键技术项目中，就有八个项目（基因组学技术、重大疾病相关基因的 分离和功能研究、基因药物工程、基因治疗技术、生物信息学技术、 组合生物合成技术、新型诊断技术、蛋白质组学和生物芯片技术）要 使用生物芯片。 生物芯片技术被单列作为一个专门项目进行规划。 总 之，生物芯片技术在医学、生命科学、药业、农业、环境科学等凡与 生命活动有关的领域中均具有重大的应用前景。但该技术成本高， 芯片的制备比较复杂， 样品的准备与标记较为 繁琐，且其信号检测的灵敏度也有待于进一步提