信息材料-基因芯片简介汇总

1、基因芯片Gene Chip羽【内容摘要】基因芯片技术是生物芯片的一种，它是生命科学领域里兴起的一项高新技术，它集成了微电子制造技术、激光扫描技术、分子生物学、物理和化学等先进技术。本文简要阐述了基因芯片的定义、特点、分类、工作原理及应用，并提出了基因芯片进一步发展所存在的问题。Gene chip technology is a kind of biological chip which is a new technology integrating the microelectronics manufacturing technology, laser scanning technology,

2、 molecular biology, physics and chemistry and other advanced technology. Gene chip used a large number of specific oligonucleotide fragment or gene fragment as a probe, and fixed wafer, glass sheet, plastic sheet or nylon substrate fixed on the support which combined with the device for photoelectri

3、c measurement regularly form a two-dimensional array, and the probe will hybridize with the gene in labeled sample lead to the change electrical signal. The article describes the definition and characteristics of gene chip as well as the classification, working principle and application briefly. And

4、 put forward some existing problems for the further development of gene chip in the end.【关键词】Gene Chip DNA mRNA 蛋白质 遗传疾病 核苷酸序列 蚀刻打印【正文】一、生物芯片生物芯片是指将成千上万的靶分子（比如DNA、RNA或蛋白质等）经过一定的方法有序地固化在面积较小的支持物（如玻璃片、硅片、尼龙膜等）上，组成密集分子排列，然后将已经标记的样品与支持物上的靶分子进行杂交，经洗脱、激光扫描后，运用计算机将所得的信号进行自动化分析。这种方法不仅节约了试剂与样品，而且节省了大量的人力、物力与

5、时间，使检测更为快速、准确、敏感，是目前生物检测中效率高、最为敏感和最具前途的技术。根据在支持物上所固定的靶分子的种类可将生物芯片分为基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片和芯片实验室等。目前，技术比较成熟、应用最广泛的是基因芯片技术，其在基因组的表达分析、药物筛选、模拟生物的基因表达及功能研究、遗传疾病基因诊断、病原微生物的诊断等方面都有广泛的应用，是一种高效、大规模获取相关生物信息的重要手段。二、基因芯片的定义基因芯片采用大量特定的寡核苷酸片段或基因片段作为探针，有规律地固定于与光电测量装置相结合的硅片、玻璃片、塑料片或尼龙基底等固体支持物上，形成二维阵列，与待测的标记样品的基因按碱基对配对原理进

6、行杂交，从而检测特定基因。如图1即为一种基因芯片器件的构造。图1 基因芯片的结构基因探针利用核糖双链的互补碱基之间的氢键作用形成稳定的双键结构，通过测量目的基因上的光电信号来实现对样品的检测，从而使基因芯片技术成为高效的大规模获取相关生物信息的重要手段。三、基因芯片的特点1) 高通量、多参数同步分析。目前基因芯片制作工艺可达到在1cm2的载体平面上固定数万至数十万的探针，可对样品中数量巨大的相关基因，甚至整个基因组及信息进行同步检测和分析。2) 快速全自动分析。在一定的条件下使样品中的靶基因片段同时与芯片的多个探针进行杂交，并采用扫描仪器测量杂交信号和分析处理数据。从而，从根本上提高了测量工作

7、的速度和效率，也极大降低了测量工作的强度和难度。3) 高精确度分析。由于芯片上的每一点，即每个探针都可以精确定位和选址，加上每个探针都可以精确设计及制备，因此可以精确检测出不同的靶基因、同一靶基因不同的状态以及在一个碱基上的差别。4) 高精密度分析。商品化芯片制作上的精密及检测试剂和方法上的统一在一定程度上保证了芯片检测的高精密度和重现性，使不同批次乃至不同实验室之间的检测结果，可以进行有效比对及分析。5) 高灵敏度分析。基因芯片选用了不易产生扩散作用的载体，探针及样品靶基因的的杂交点非常集中，加上杂交前样品靶基因的扩增和杂交后检测信号的扩张，极大地提高了检测的灵敏度，可以检测出1个细胞中低至

8、1个拷贝的靶基因，从而使检测所需的样品量大幅度减少，一般只需要1020L样品。四、基因芯片的分类基因芯片的原理并不复杂，但其类型较为繁多，可以依据不同的分类方法进行分类，一般可分为以下几种：1) 按照载体上所添加DNA种类的不同，基因芯片可分为寡核苷酸芯片和cDNA芯片两种。寡核苷酸芯片一般以原位合成的方法固定到载体上，具有密集程度高、可合成任意系列的寡核苷酸等优点，适用于DNA序列测定、突变检测、SNP分析等；其缺点是合成寡核苷酸的长度有限，因而特异性较差，而且随着长度的增加，合成错误率增加。寡核苷酸芯片也可通过预合成点样制备，但固定率不如cDNA芯片高，寡核苷酸芯片主要用于点突变检测和测序

9、，也可用作表达谱研究。cDNA芯片是将微量的cDNA片段在玻璃等载体上按矩阵密集排列并固化，其基因点样密度虽不及原位合成寡核苷酸芯片高，但比用传统载体的点样密度要高得多，cDNA芯片最大的优点是靶基因检测特异性非常好，主要用于表达谱研究。2) 按照载体材料分类。载体材料可分为无机材料和有机材料两种，无机材料有玻璃、硅片、陶瓷等，有机材料由有机膜、凝胶等。膜芯片的介质主要采用的是尼龙膜，其阵列密度比较低，用到的探针量较大，检测的方法主要是用放射性同位素的方法，检测的结果是一种单色的结果。而以玻璃为介质的芯片，阵列密度高，所用的探针量少，检测方法具有多样性，所得结果是一种彩色的结果，与膜芯片相比，

10、结果分辨率更高一些，分析的灵活性更强。3) 按照点样方式的不同可以分为原位合成芯片、微矩阵芯片、电定位芯片三种。原位合成法有三种制备方法：将光蚀刻技术运用到DNA的合成化学中，以单核苷酸或其他生物大分子为底物，在玻璃晶片上原位合成寡核苷酸，每次循环都有特定的核苷酸结合上去，直到达到设定的寡核苷酸长度，每个寡核苷酸片段代表了一种特定的基因，存在于DNA芯片的特定位置上，可合成任意系列的1525个碱基长度的片段。利用喷墨原理，将单核苷酸前体喷到预设定的位置。这种方法类似于喷墨打印机，其将合成试剂滴在含有化学活性的氢氧基团的疏水表面，定位合成寡核苷酸。喷墨方法合成速度更快，较容易建立新的阵列。用物理

11、方法限定前体物质的位置。即将前体物通过正交管道，就能合成选定长度的所有序列矩阵。微矩阵芯片是将PCR（聚合酶链式反应）得到的cDNA、寡核苷酸片段等用针点或喷点的方法直接排列到玻璃片等介质上，从而制成芯片。其优点是成本低、容易操作，而且其样点密度通常能满足需要。电定位芯片是利用静电吸引的原理将DNA快速定位到硅基质或导电玻璃上，其优点是在电力推动下可使杂交快速进行，但制作工艺复杂、点样密度低。4) 按照基因芯片的用途可以分为基因表达芯片和DNA测序芯片，基因表达芯片可以将克隆到成千上万的基因探针或cDNA片段固定到一块DNA芯片上，对来源不同的个体、组织、细胞周期、发育阶段、分化阶段、不同的病

12、变、不同的刺激下的细胞内的mRNA或反录后产生的c DNA进行检测，从而对这些基因表达的个体异性、病变特异性、刺激特异性进行综合分析和判断，迅速将某个或某几个基因与疾病联系起来，尽快确定这些基因的功能。同时，可进一步研究基因与基因的互相作用关系。DNA测序芯片则是对大量的基因进行序列分析。五、基因芯片的工作原理基因芯片技术的研究过程，包括以下四个基本步骤，1) DNA探针的大量收集和纯化，基因芯片探针制备方法可以是根据基因设计特异性的PCR引物，对基因进行特异性地扩张，也可以是建立均一化的cDNA文库，通过克隆鉴定、筛选、扩增产生；2) 将纯化后的探针固定在片基上，首先要将基片（主要用的是玻璃

13、片）进行特殊的化学处理，使玻璃片醛基化或氨基化，然后将纯化的探针通过显微打印或喷打在基片上，再将打印好的玻璃片进行后处理，如水合化、加热或紫外交联等；3) 样品的标记，标记的方法一般是采用逆转录法或随机引物延伸法等；4) 杂交后芯片的扫描、图像处理的采集和数据分析。六、基因芯片制备技术6.1 传统制备技术由于芯片种类较多，其制备方法也不尽相同，传统的制备方法基本可分为两类：一类是原位合成，另一类是直接点样。原位合成是用于寡氨基酸，直接点样多用于大片段DNA，有时也用于寡核苷酸甚至mRNA。原位合成主要有光刻法和压电打印法两种途径。1. 原味光刻合成。其利用固相化学、光敏保护基及光刻技术得到位置

14、确定、高度多样化的化合物集合。合成的第一步是利用光照射，使固体表面上的羟基脱保护，然后固体表面与光敏保护基保护的、亚磷酰胺活化的碱基单体接触，使一个核苷酸单体连接上去，合成只在那些脱去保护基的地方发生，这个过程反复进行直至合成完毕。这个方法最大的优点就是在一个较小的区域，可制造大量不同的探针。但是这种制备方法需要预选设计，制造一系列掩盖物，造价较高，制造过程中采用光脱保护方法，掩盖物孔径较小时会发生光衍射现象，制约了探针密度的进一步提高。2. 原味打印合成。此原理与油墨打印类似，不过芯片喷印头和墨盒有多个，墨盒中装的是四种碱基的液体而不是碳粉，喷印头可在整个芯片上移动，并根据芯片上不同位点探针

15、序列的需要，将特定的碱基喷印在芯片上的特定位置。该技术采用的化学原理与传统的DNA固相合成一致，因此不需要特殊制备的化学试剂。3. 分子印章原位合成。其合成原理类似于传统的印章，其表面按照阵列合成的要求制作成凹凸不平的平面，依此将不同的核酸或多肽合成试剂按印到芯片片基特定的位点，然后进行合成反应。4. 点样法。与原位合成法比较，点样法较为简单，只需将预先制备好的寡核苷酸或cDNA等样品通过自动点样装置点样于经原位特殊处理的玻璃片或其他材料上。即其样品可以事先纯化，交联的方式多样；而且可以通过调节探针的浓度使不同碱基组成的探针杂交信号一致，研究者可以方便地设计、制备符合自己需要的基因芯片。但是芯

16、片的这种制备过程中，样品浪费较为严重，对寡核苷酸的化学修饰也会增加合成成本，而且芯片制备前需要储存大量样品。6.2 三种新的制备技术1. 微电子芯片利用微电子工业常用的光刻技术，芯片被设计构建在硅/二氧化硅等基底材料上，如图2所示，经热氧化，制成1mm×1mm的阵列，每个阵列含有多个微电极，在每个电极上通过氧化硅沉积和蚀刻制备出样品池。将连接链亲和素的琼脂糖覆盖在电极上，在电场作用下生物素标记的探针即可结合在特定电极上。电子芯片最大特点是杂交速度快，可大大缩短分析时间，但制备复杂、成本高。图2 电子基因芯片2. 三维生物芯片这种芯片技术主要是利用官能团化的聚丙酰氨凝胶块作为基质来固定

17、寡氨基酸。通常的制备方法是将有活性基团的物质或丙烯酰胺衍生物与丙烯酰胺单体在玻璃板上聚合，机械切割出三维凝胶微块，使每块玻璃片上有10 000个微小的聚乙烯酰胺凝胶条，每个凝胶条可用于靶DNA、RNA或蛋白质的分析，光刻或激光蒸发除去凝胶块之间的凝胶，再将带有活性基团（氨基、醛基等）的DNA点，加到凝胶上进行交联，再将DNA样品转移到凝胶块上。3. 流过式芯片即在芯片片基上制成格栅状微通道，设计及合成特定的寡氨基酸探针，结合于微通道内芯片特定区域。从待检测样品中分离DNA或RNA，并对其进行荧光标记，然后该样品流过芯片，固定的寡氨基酸探针捕获与之相互补的核酸，再用信号检测系统分析结果。其特点是

18、敏感度高、速度快、价格较低。七、基因芯片的应用1) 基因表达检测。基因表达谱可直接地反映出基因组中各基因间的相互关系以及在不同状态和条件下基因的转录调控水平，从而可以通过基因组转录效率来获得共同表达的基因及其调控信息，为探索基因调控的机理提供一条有效的途径。2) 寻找新基因。基因表达水平的定量检测在阐述基因功能、探索疾病原因及机理、发现可能的诊断及治疗靶等方面是很有价值的。3) DNA测序。人类基因组计划的实施促进了更高效率、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和邻堆杂交技术都是新的高效快速测序方法。4) 突变体和多态性的检测。基因芯片技术还可规模的检测和分析DNA的变异及多

19、态性。随着遗传病和癌症相关基因发现数量的增加，变异和多态性分析将越来越重要。5) 传染性病原体的检测。该技术的制作方法是针对传染性病原体的特异基因，将特异基因片段或者寡氨基酸探针固定于芯片上，利用核酸分子之间碱基互补配对原理，使其与待测的样品核酸分子杂交。通过检测每个探针分子杂交信号，获得样品核酸分子的数量和序列信号，从而对一份生物样品进行检测，也可同时检测多种病原体是否存在。6) 遗传病的诊断。利用基因芯片技术，通过分析和检测患者某一特定基因气可判断遗传病患者，也可诊断有遗传病风险的胎儿，甚至是着床前的胚胎。7) 药物筛选。药物作用前后，某些基因表达的mRNA及水平都会有所变化，分别得到药物

20、作用前后不同的mRNA，标记后作为靶序列与芯片上的探针杂交，然后通过分析杂交结果,可得到mRNA的表达情况。确定哪些基因在药品作用后表达了，哪些表达停止了，以及哪些表达升高了，哪些表达降低了，使得人们在分子水平上了解药物作用的靶点、作用方式以及代谢途径。8) 在环境科学和食品卫生领域上的应用。可以用基因芯片对环境污染物，如有机化学污染物、无机污染物、微生物及毒素等进行测量、监测与评价，研究环境污染物对人体健康的影响、环境污染物的致癌机理、环境污染物对人体敏感基因的作用等。【小结】基因芯片的进一步发展存在以下问题：1. 基因芯片的生产工艺复杂、难度较大，如微流控芯片，其需要尖端的微加工、计算机及化学等技术，现阶段一般生物专业实验室根本没有能力研发这些芯片。所以各专业间的合作应增加，机械、软件、材料、化工和生物等方向的发展息息相关。2. 制备芯片所需设备及耗材价格昂贵。一直以来，生物芯片生产所需的设备如点样仪扫描仪的价格居高不下，一些普通研究机构没有能力