基因芯片及其数据分析

1、汇报人：李真王芳10430501043049最早微阵列1 .基因芯片的概念基因芯片(genechip),又称DNA微阵列(Micioairay),指将大量(通常每平方厘米点阵密度高于400)探针分子固定于支持物上后与标记的样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。通俗地说，就是通过微加工技术，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2cm2的硅片、玻片等支持物上，构成的一个二维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。基因芯片主要用于基因检测工作。Page-32 .基因芯片发展历史3 .基因芯

2、片的杂交原理如图，在一块基片表面固定了序列已知的八核甘酸的探针。当溶液中带有荧光标记的核酸序歹UTATGCAATCTAG,与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列。据此可重组出靶核酸的序列。Page-54 .基因芯片的主要类型1 ）固定在聚合物基片（尼龙膜，硝酸纤维膜等）表面上的核酸探针或cDNA片段，通常用同位素标记的靶基因与其杂交,通过放射显影技术进行检测。这种方法的优点是所需检测设备与目前分子生物学所用的放射显影技术相一致，相对比较成熟。但芯片上探针密度不高，样品和试剂的需求量大，定量检测存在较多问题。2 ）用点样法固定

3、在玻璃板上的DNA探针连列，通过与荧光标记的靶基因杂交进行检测。这种方法点阵密度可有较大的提高，各个探针在表面上的结合量也比较一致，但在标准化和批量化生产方面仍有不易克服的困难。3）在玻璃等硬质表面上直接合成的寡核甘酸探针阵列,与荧光标记的靶基因杂交进行检测。该方法把微电子光刻技术与DNA化学合成技术相结合，可以使基因芯片的探针密度大大提高，减少试剂的用量，实现标准化和批量化大规模生产,有着十分重要的发展潜力。5.制备基因芯片的固定方法目前已有多种方法可以将寡核甘酸或短肽固定到固相支持物上。这些方法总体上有两种，即原位合成(insitusynthesis)与合成点样两种。支持物有多种如玻璃片、

4、硅片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等，但需经特殊处理。作原位合成的支持物在聚合反应前要先使其表面衍生出羟基或氨基(视所要固定的分子为核酸或寡肽而定)并与保护基建立共价连接；作点样用的支持物为使其表面带上正电荷以吸附带负电荷的探针分子，通常需包被以氨基硅烷或多聚赖氨酸等。6 .基因芯片的合成原理ROU，O3管一国不二刍isess1,.ILIUIIJII1基因芯片在片合成原理图美国Affymetrix公司制备的基因芯片产品在1.28128cm2表面上可包含300,000个20至251116库核甘酸探针，每个探针单元的大小为10umX10ume其实验室芯片的阵列数已超过到1,000,000个探针。

5、7 .基本步骤 1、芯片制备目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体，采用原位合成和微矩阵的方法将寡核苦酸片段或cDNA作为探针按顺腌£列在载体上。芯片的制备除了用到微加工工艺外，还需要使用机器人技术.以便能快速、准确地将探针放智到芯片上的指定位置. 2、样品制备生物样品往往是复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外,一般不能直接与芯片反应，有时样品的量很小。所以，必须将样品进行提取、扩增，获取其中的蛋白质或DNA、RNA,然后用荧光标记，以提高检测的灵敏度和使用者的安全性. 3、杂交反应杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行的反应产生一系列信息的过程.选择合适的反应条件能使生物分子间

6、反应处于最佳状况中，减少生物分子之间的错配率. 4、信号检测和结果分析杂交反应后的芯片上各个反应点的荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件可以分析图像，将荧光转换成数据，即可以获得有关生物信息。基因芯片技术发展的最终目标是将从样品制备、杂交反应到信号检测的整个分析过程集成化以获得微型全分析系统(micrototalanalyticalsystem)缩片实验室(laboratoryonachip).使用缩微芯片实验室，就可以在一个封闭的系统内以很短的时间完成从原始样品到获取所需分析结果的全套操作。Page-98.光纤微珠芯片在经历了微点样芯片、光原位合成芯片两代基因芯片产品之后，目前美国川u

7、mina公司已研制出新一代基因芯片产品一光纤微珠芯片。光纤微珠芯片是一种以光导纤维和纳米材料(硅珠)为主要组成元件的芯片，其原理是在直径为5um的光纤上蚀刻出间距均匀的小洞，每个小洞可容纳直径为3um的微珠，微珠与特定序列的标记有荧光的寡核甘酸片段相连，通过解码和质控，保证每个微珠所连的核酸片段序列的正确性，微珠被吸附到小洞中后，从激光扫描仪上发出的激光通过光纤传递给荧光素，后者发出的荧光又通过光纤传递给检测器。幽环序列23 mer探计序列5.木线3.末端光纤微珠芯片的组装Page-11光纤微珠芯片的优点光纤微珠芯片是利用独特的微珠阵列(BeadArray)技术生产的芯片，具有高密度、高重复性

8、、高灵敏度、低上样量、定制灵活等特点，克服了传统芯片的多个技术瓶颈，不仅检测筛选速度很高，也显著降低了研究成本。光纤微珠芯片有可能成为以后基因芯片的发展方向。Page729.基因芯片的研究领域 1、基因表达检测人类基因组编码大约10万个不同的基因，仅掌握基因序列信息资料，要理解其基因功能是远远不够的，因此，具有监测大量mRNA（信使RNA,可简单理解为基因表达的中介物）的实验工具很重要.有关对芯片技术检测基因表达及其敏感性、特异性进行的研究实验表明芯片技术易于监测非常大量的mRNAs并能敏感地反映基因表达中的微小变化.利用基因芯片技术人们已比较成功地对多种生物包括拟南芥、酵母及人的基因组表达情况进行了研究，并且用该技术（共157,112个探针分子）一次性检测了酵母几种不同株间数千个基因表达谱的差异. 2、寻找新基因。有关实验表明在缺乏任何序列信息的条件下，基因芯片也可用于基因发现，如HME基因和黑色索痛生长刺激因子就是通过基因芯片技术发现的。 3、DNA测序。人类基因组计划的实施促进了更高效率的、能够自动化操作的测序方法的发展，芯片技术中杂交测序技术及邻堆杂交技术即是一种新的高效快速测序方法如使用美国Affymetrix公司1998年生产出的带有13.5万个基因探针的芯片就可以使人类DNA解码速度提高了25倍. 4、核酸突变的检测及基因组多