《基因组学》课件第11章 生物芯片技术-2015

1、第11章生物芯片蛋白质二维凝胶电泳（2-D-gel）生物芯片（Biochip）技术生物芯片是信息时代的产物横跨：生命科学、 物理学、 计算机科学、微电子技术光电技术、 材料科学等现代高技术。“人类基因组计划”的迫切需求： 30亿个碱基对、几万个基因的信息分析理想的解决方案 生物芯片：新的快速价廉的基因测序和功能研究方法1992年第一张基因芯片：美国Affymetrix（全球唯一拥有成熟的商品化的高密度芯片制造技术的公司），半导体照相平板技术和光脱保护原位合成技术（专利），已知序列的基因集成到硅片表面，批量处理一、生物芯片简介发展历史1995年第一张以玻璃为载体的基因芯片： Stanford大学

2、P.Brown实验室，将cDNA密集点样在玻璃片上，进行基因表达谱研究和SNP分析1996年第一张实用型基因芯片：Affymetrix，首批实用型DNA芯片及其成套系统，由此引发了继工业革命、信息技术革命后的第三次基因组革命 此后系列生物芯片相继问世：喷墨点样芯片、寡核苷酸点样芯片、蛋白原位合成以及多肽点样芯片、细胞和组织芯片、芯片实验室、液相芯片等一、生物芯片简介发展历史基因芯片发展历史Southern & Northern BlotDot BlotMacroarrayMicroarray一、生物芯片简介生物芯片(Biochips)是将大量生物识别分子按预先设置的排列固定于一种支持物（如硅片

3、、玻片及高聚物载体等）表面，利用与被标记的样品生物分子的特异性亲和反应（分子杂交）来分析样品中靶分子存在的量的一种技术。一、生物芯片简介“探针”：载玻片或尼龙膜的表面原位合成寡核苷酸（DNA或cDNA以高密度点阵固定排列在经处理过的载玻片或尼龙膜的表面）“样品”：标记了荧光或同位素待测靶分子DNA、cDNA或RNA、蛋白质或多肽一、生物芯片简介工作原理：生物分子之间特异性的相互作用。如DNA-DNA、DNA-RNA、抗原-抗体、受体-配体之间可发生的复性与特异性结合。 设计一方为探针，并固定在微小的载体表面，通过分子之间的特异性反应，检测另一方的有无、多少、结构改变等。一、生物芯片简介二、生物

4、芯片的分类 基因芯片（DNA芯片）：将DNA分子固定于支持 物上，根据碱基互补配对，与被标记的样品分 子杂交、检测和分析。 蛋白质芯片：蛋白质在载体上的有序排列，依 据蛋白质之间相互作用的原理进行杂交、检测 和分析。 芯片实验室：将一个实验的各个步骤微缩于一 个芯片上。二、生物芯片的分类二、生物芯片的分类芯片实验室（Lab-on-a-chip）或称微全分析系统（Micro Total Analysis System， or microTAS）是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位集成或基本集成于一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，

5、并对其产物进行分析的一种技术。功能化芯片实验室大体包括三个部分：芯片；分析仪，包括驱动源和信号检测装置；含有实现芯片功能化方法和试剂盒。三、基因芯片的原理 基因芯片技术是建立在Southern blot基础之上的，可以说它是Southern blot的改进和发展，它的原理是：变性DNA 加入探针后在一定温度下退火，同源片段之间通过碱基互补形成双链杂交分子。S； DNA-DNA/RNA； N：RNA-DNA/RNA；W：Protein-protein/DNA E:蛋白质翻译后修饰的杂交基因芯片的基本原理与Southern blot技术一脉相承基因芯片技术是基因功能研究领域的一次革命，是生命科学研

6、究领域中新近出现的一项崭新技术。与Southern blot相比较，基因芯片具有高密度、高通量、并行性、微量化、自动化的特点。基因芯片与Southern blot的比较大规模基因功能研究四、生物芯片的操作流程制备总RNA mRNA经RT-PCR用Cy3（正常对照组）和Cy5（实验组）荧光标记目的基因，得到cDNA探针混合标记探针与表达谱芯片上核苷酸片段（或基因）杂交扫描分析杂交结果结论基因芯片技术主要包括四个基本要点：芯片方阵的构建样品的制备生物分子反应信号的检测 1）支持物的预处理实性材料：硅芯片、玻片和瓷片需进行预处理，使其表面衍生出羟基、氨基活性基团。膜性材料：聚丙烯膜、尼龙膜、硝酸纤维

7、膜通常包被氨基硅烷或多聚赖氨酸目的：使探针分子固定并保持构象自然1、芯片的制备四、生物芯片的操作流程2) 芯片的制备合成后点样：预先合成DNA或制备基因探针然后打印到芯片上。1、芯片的制备四、生物芯片的操作流程原位合成：由点样系统将探针的组成部分逐步转移到支持物上，同时实现探针的合成与转移。样品的分离纯化DNA , mRNA，蛋白质标记等过程荧光标记（常用Cy3、Cy5），生物素、放射性标记2、样品的准备三、生物芯片的操作流程样品与DNA芯片上的探针阵列进行杂交。与经典分子杂交的区别：杂交时间短，30分钟内完成可同时平行检测许多基因序列影响杂交反应的因素：盐浓度、温度、反应时间、DNA二级结构

8、等3、分子杂交四、生物芯片的操作流程Affymetrix 640杂交仪激光激发使含荧光标记的DNA片段发射荧光激光扫描仪或激光共聚焦显微镜采集各杂交点的信号软件进行进行图象分析和数据处理4、检测分析四、生物芯片的操作流程GenearrayTM扫描仪1、DNA测序：杂交测序（SBH）五、生物芯片的应用一组寡核苷酸探针TATGCAATCTAGCGTTAGATACGTTAGAATACGTTAGATCTACGTTAG由杂交位置确定的一组核酸探针序列GTTAGATC杂交探针组TATGCAATCTAG重组的互补序列靶序列TACGTTAGACGTTAGAATACGTTACGTTAGATGTTAGATC AT

9、ACGTTA2、基因表达分析五、生物芯片的应用3、基因诊断：寻找和检测与疾病相关的基因及在RNA水平上检测致病基因的表达五、生物芯片的应用4、药物研发：寻找药物靶分子五、生物芯片的应用 在基因功能研究基础上，特别是确立了与某些疾病相关基因的表达变化情况后，就可针对疾病发生机理进行药物筛选工作。 将这些基因特异性片段固定在芯片上，研究病变组织和正常组只在某些药物刺激下这些基因表达的变化，可快速判断药物作用的效果，并进行高通量筛选（high throughout screening），可使新药开发获得技术上的突破。生物芯片的主要特点：高通量微型化自动化加快实验进程、利于显示图谱的快速对照和阅读减少试剂用量和反应液体积，提高样品浓度和反应速率降低成本，保证质量 生物芯片的发展趋势：微型化：DNA矩阵越来