第十三章DNA芯片技术

1、第十三章第十三章 DNA芯片技术芯片技术第一节第一节 概概 述述一、一、DNA芯片技术的概念芯片技术的概念基因芯片基因芯片( (Gene chip)Gene chip)技术是指通过技术是指通过微阵微阵列列( (MicroarrayMicroarray) )技术将高密度技术将高密度DNADNA片段片段阵列通过高速机器人或原位合成方式以阵列通过高速机器人或原位合成方式以一定的顺序或排列方式使其附着在如玻一定的顺序或排列方式使其附着在如玻璃片等固相表面，以荧光标记的璃片等固相表面，以荧光标记的DNADNA探探针，借助碱基互补杂交原理，进行大量针，借助碱基互补杂交原理，进行大量的基因表达及监测等方面研

2、究的最新革的基因表达及监测等方面研究的最新革命性技术。命性技术。DNA Chip TechnologySolid support (glass, plastic, metal, silicon)Miniaturized array of DNA (genetic material)Work on the biochemical principle of DNA/DNA hybridizationHybridized probes (DNA molecules) are fluorescently labeled通常用计算机硅芯片作为固相支持物，所通常用计算机硅芯片作为固相支持物，所以称为以称为

3、DNA芯片芯片 。DNA芯片为生物芯片的一种：芯片为生物芯片的一种：生物芯片包括：生物芯片包括：DNA芯片芯片蛋白质芯片蛋白质芯片其它芯片其它芯片按用途分按用途分 样品制备芯片样品制备芯片 生化反应芯片生化反应芯片 检测芯片检测芯片芯片实验室是生物芯片技术发展的芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标最终目标二、二、DNA芯片的主要类型芯片的主要类型按制备方式分：按制备方式分：原位合成芯片原位合成芯片：采用显微光蚀刻等技术：采用显微光蚀刻等技术在特定部位原位合成寡核苷酸而制备在特定部位原位合成寡核苷酸而制备的芯片。的芯片。探针较短探针较短DNA微集阵列微集阵列：将预先制备的：将预先制备的DNA片

4、片段以显微打印的方式有序地固化于支段以显微打印的方式有序地固化于支持物表面而制成的芯片。持物表面而制成的芯片。探针的来源探针的来源较灵活较灵活Comparison of DNA Chip Technologies Sensitivity of DNA chip based assays is a function of: Probe and target DNA/RNA (Complexity) Chip surface (autofluorescence & non-spec. bkg) Attachment chemistry/methodology (hyb. efficienc

5、y & crosshyb.) Hybridization efficiency (lots of factors) Detection technology (signal type, efficiency, noise)第二节第二节 DNA芯片技术的芯片技术的基本原理与方法基本原理与方法一、芯片的制备一、芯片的制备 （一）支持物的预处理（一）支持物的预处理实性材料实性材料：硅芯片、玻片和瓷片：硅芯片、玻片和瓷片需进行预处理，使其表面衍生出羟基、需进行预处理，使其表面衍生出羟基、氨基活性基团。氨基活性基团。膜性材料膜性材料：聚丙烯膜、尼龙膜、硝酸纤维：聚丙烯膜、尼龙膜、硝酸纤维膜膜通常

6、包被氨基硅烷或多聚赖氨酸通常包被氨基硅烷或多聚赖氨酸（二）原位合成芯片的制备（二）原位合成芯片的制备1.显微光蚀刻技术显微光蚀刻技术支持物表面活性基团连接有光敏保护基团支持物表面活性基团连接有光敏保护基团（X）受到保护。受到保护。产率较低产率较低 原位合成原位合成(In Situ Synthesis)Light directed oligonucleotide synthesis.A s o l i d s u p p o r t i s derivatized with a covalent linker molecule terminated w i t h a p h o t o l a

7、 b i l e protecting group. Light is directed through a mask to deprotect and activate s e l e c t e d s i t e s , a n d protected nucleotides couple to the activated sites. The process is repeated, activating different sets of sites and coupling different bases allowing arbitrary DNA probes to be co

8、nstructed at each site.2.压电打印法压电打印法 压电毛细管喷射器压电毛细管喷射器产率较高产率较高喷墨打印技术喷墨打印技术（三）（三）DNA微集阵列的制备微集阵列的制备方式方式：预先合成：预先合成DNA或制备基因探针然后或制备基因探针然后打印到芯片上打印到芯片上1.探针的制备探针的制备已克隆的基因片段已克隆的基因片段PCR，RT-PCR扩增的基因片段扩增的基因片段人工合成的人工合成的DNA片段片段单链、双链、单链、双链、DNA或或RNA 均可作为探针均可作为探针2. 打印打印喷墨打印（非接触式点样）喷墨打印（非接触式点样）优点、缺点优点、缺点针式打印（接触式点样）针式打印

9、（接触式点样）优点、缺点优点、缺点针式打印法（接触式点样）针式打印法（接触式点样）3. 探针的固化探针的固化打印探针后，需要将其固定在支持物表打印探针后，需要将其固定在支持物表面，同时也要封闭支持物上未打印区面，同时也要封闭支持物上未打印区域以防止核酸样品的非特异性固定域以防止核酸样品的非特异性固定二、样品的准备二、样品的准备样品的分离纯化样品的分离纯化DNA , mRNA扩增扩增PCR, RTPCR，固相固相PCR标记等过程标记等过程荧光标记（常用荧光标记（常用Cy3、Cy5），），生物素、放射生物素、放射性标记性标记三、分子杂交三、分子杂交样品与样品与DNA芯片上的探针阵列进行杂交。芯片上

10、的探针阵列进行杂交。与经典分子杂交的区别：与经典分子杂交的区别：1. 杂交时间短，杂交时间短，30分钟内完成分钟内完成2. 可同时平行检测许多基因序列可同时平行检测许多基因序列1.影响杂交反应的因素：影响杂交反应的因素：1. 盐浓度、温度、反应时间、盐浓度、温度、反应时间、DNA二二级结构级结构肽肽核酸核酸( peptide nucleic acid , PNA)是一类以氨基酸替代糖是一类以氨基酸替代糖-磷酸主链的磷酸主链的DNA类似物，骨架由重复的类似物，骨架由重复的N-甘氨酸甘氨酸通过酰胺键相连构成，碱基则通过甲通过酰胺键相连构成，碱基则通过甲叉碳酰基与骨架相连。叉碳酰基与骨架相连。1.

11、PNA分子内不会形成二级、三级结构分子内不会形成二级、三级结构2. DNA与与PNA杂交不需要盐离子杂交不需要盐离子四、检测分析四、检测分析1.激光激发使含荧光标记的激光激发使含荧光标记的DNA片段发片段发射荧光射荧光2.激光扫描仪或激光共聚焦显微镜采集激光扫描仪或激光共聚焦显微镜采集各杂交点的信号各杂交点的信号3.软件进行进行图象分析和数据处理软件进行进行图象分析和数据处理 Research UseFrom Sequence to function计算Ratio 值 (= Cy3/Cy5)。在 0.5-2.0 之外的定义为在两样本中有明显差异表达。进而获取初步功能信息。Clustering。

12、第三节第三节 DNA芯片技术的应用芯片技术的应用DNA测序测序；杂交测序（；杂交测序（SBH）基因表达分析基因表达分析：基因组研究基因组研究：作图、测序、基因鉴定、基：作图、测序、基因鉴定、基因功能分析因功能分析基因诊断基因诊断：寻找和检测与疾病相关的基因：寻找和检测与疾病相关的基因及在及在RNA水平上检测致病基因的表达水平上检测致病基因的表达药物研究与开发药物研究与开发：cDNA microarray expression patterns of small (S) and large (L) neurons 应用之一应用之一 基因表达谱（基因表达谱（gene expression patt

13、ern)红色红色 上调上调黄色黄色 不变不变绿色绿色 下调下调基因表达谱芯片基因表达谱芯片的应用最为广泛，技的应用最为广泛，技术上也最成熟。这种芯片可以检测整个术上也最成熟。这种芯片可以检测整个基因组范围的众多基因在基因组范围的众多基因在mRNA表达水表达水平的变化。它能对来源于不同个体、不平的变化。它能对来源于不同个体、不同组织、不同细胞周期、不同发育阶段、同组织、不同细胞周期、不同发育阶段、不同分化阶段、不同生理病理、不同刺不同分化阶段、不同生理病理、不同刺激条件下的组织细胞内基因表达情况进激条件下的组织细胞内基因表达情况进行对比分析。从而对基因群在个体特异行对比分析。从而对基因群在个体特异性、组织特异性、发育特异性、分化特性、组织特异性、发育特异性、分化特异性、疾病特异性、刺激特异性的变化异性、疾病特异性、刺激特异性的变化特征和规律进行描述，特征和规律进行描述，进一步阐明基因的相互协同、抑制、互进一步阐明基因的相互协同、抑制、互为因果等关系。有助于理解基因及其编为因果等关系。有助于理解基因及其编码的蛋白质的生物学功能，并从已知生码的蛋白质的生物学功能，并从已知生物学功能的基因推论未报道基因的生物物学功能的基因推论未报道基因的生物学意义。同时，还可在基因水平上解释学意义。同时