第七章 基因芯片技術(shù)

1、第七章第七章 生物芯片技術(shù)生物芯片技術(shù) 生物芯片是八十年代末在生命科學(xué)生物芯片是八十年代末在生命科學(xué)領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它主要是指通過(guò)微加工技術(shù)和微電子它主要是指通過(guò)微加工技術(shù)和微電子技術(shù)在固體芯片表面構(gòu)建的微型生物技術(shù)在固體芯片表面構(gòu)建的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞、蛋白化學(xué)分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞、蛋白質(zhì)、質(zhì)、DNADNA以及其他生物組分的準(zhǔn)確、快以及其他生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測(cè)。速、大信息量的檢測(cè)。 世界著名商業(yè)雜志世界著名商業(yè)雜志財(cái)富財(cái)富對(duì)基因?qū)蛏镄酒I(lǐng)域非?？春?，它在其生物芯片領(lǐng)域非?？春茫谄?9971997年

2、年的的3 3月月3131刊中講到：刊中講到：“微處理器使我們微處理器使我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)生了根本改變、給人類帶來(lái)了的經(jīng)濟(jì)發(fā)生了根本改變、給人類帶來(lái)了巨大的財(cái)富、改變了我們的生活方式。巨大的財(cái)富、改變了我們的生活方式。然而，生物芯片給人類帶來(lái)的影響可能然而，生物芯片給人類帶來(lái)的影響可能會(huì)更大會(huì)更大.”.”酵母全基因組基因芯片酵母全基因組基因芯片第一節(jié)第一節(jié) 生物芯片簡(jiǎn)介生物芯片簡(jiǎn)介1.1 生物芯片的定義生物芯片的定義 生物芯片生物芯片是指通過(guò)機(jī)器人自動(dòng)印跡或光引是指通過(guò)機(jī)器人自動(dòng)印跡或光引導(dǎo)化學(xué)合成技術(shù)在硅片、玻璃、凝膠或尼龍導(dǎo)化學(xué)合成技術(shù)在硅片、玻璃、凝膠或尼龍膜上制造的生物分子微陣列，根據(jù)分子間的

3、膜上制造的生物分子微陣列，根據(jù)分子間的特異性相互作用的原理，將生命科學(xué)領(lǐng)域中特異性相互作用的原理，將生命科學(xué)領(lǐng)域中不連續(xù)的分析過(guò)程集成于芯片表面，以實(shí)現(xiàn)不連續(xù)的分析過(guò)程集成于芯片表面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞、蛋白對(duì)細(xì)胞、蛋白 質(zhì)、基因及其他生物組分質(zhì)、基因及其他生物組分 的準(zhǔn)確、快速、大信息量的準(zhǔn)確、快速、大信息量 的檢測(cè)。的檢測(cè)。 基因芯片基因芯片又稱又稱DNA芯片或芯片或DNA陣列，陣列，是生物芯片的一種類型，它是將是生物芯片的一種類型，它是將DNA分子分子固定于支持物上，并與標(biāo)記的樣品雜交，固定于支持物上，并與標(biāo)記的樣品雜交，通過(guò)自動(dòng)化儀器檢測(cè)雜交信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)判通過(guò)自動(dòng)化儀器檢測(cè)雜交信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)判

4、斷樣品中靶分子的數(shù)量，進(jìn)而得知樣品中斷樣品中靶分子的數(shù)量，進(jìn)而得知樣品中mRNA 的表達(dá)量，也可以進(jìn)行基因突變體的表達(dá)量，也可以進(jìn)行基因突變體的檢測(cè)和基因序列的測(cè)定。的檢測(cè)和基因序列的測(cè)定。1.2 基因芯片分析流程基因芯片分析流程 基因芯片分析的過(guò)程主要包括樣品及其標(biāo)記基因芯片分析的過(guò)程主要包括樣品及其標(biāo)記處理、芯片制作、分子雜交、信號(hào)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理、芯片制作、分子雜交、信號(hào)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理及分析等幾個(gè)步驟。處理及分析等幾個(gè)步驟。 基因芯片的理論基礎(chǔ)：基因芯片的理論基礎(chǔ)： 傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的Southern blot和和Northern blot是將受檢測(cè)是將受檢測(cè)的樣本固定在尼龍膜上，再利用特定

5、的已知探針的樣本固定在尼龍膜上，再利用特定的已知探針來(lái)檢測(cè)樣本中是否存在互補(bǔ)的來(lái)檢測(cè)樣本中是否存在互補(bǔ)的DNA序列。序列。 基因芯片的核心原理與基因芯片的核心原理與Southern blot和和Northern blot相同，只是相反將各種探針固化到基質(zhì)上，相同，只是相反將各種探針固化到基質(zhì)上，用以檢測(cè)受檢樣品中與各種探針互補(bǔ)的核酸物質(zhì)用以檢測(cè)受檢樣品中與各種探針互補(bǔ)的核酸物質(zhì)的變化。的變化。1 1 樣品制備樣品制備2 DNA2 DNA提取提取3 3 熒光標(biāo)記熒光標(biāo)記4 4 分子雜交分子雜交5 5 信號(hào)檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)6 6 點(diǎn)陣分析點(diǎn)陣分析1.3 基因芯片技術(shù)的特點(diǎn)基因芯片技術(shù)的特點(diǎn)1、基因芯片

6、的優(yōu)點(diǎn)、基因芯片的優(yōu)點(diǎn)1 1）高通量高通量性性：可同時(shí)并行分析成千上萬(wàn)種分子。：可同時(shí)并行分析成千上萬(wàn)種分子。節(jié)省時(shí)間，并減少系統(tǒng)誤差。節(jié)省時(shí)間，并減少系統(tǒng)誤差。2 2）微型化微型化3 3）高度高度自動(dòng)化自動(dòng)化4 4）結(jié)果重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性更高結(jié)果重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性更高（基因芯片能在同（基因芯片能在同一張芯片上同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組材料進(jìn)行一張芯片上同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組材料進(jìn)行雜交分析，這樣就實(shí)現(xiàn)了雜交分析，這樣就實(shí)現(xiàn)了平行化平行化操作，避免操作，避免了各種誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性）了各種誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性）2、基因芯片的缺點(diǎn)、基因芯片的缺點(diǎn) 基因芯片技術(shù)體系的建立和使用需要較基因芯片技術(shù)體系

7、的建立和使用需要較大的投入。大的投入。 （但是，相對(duì)于傳統(tǒng)的表達(dá)分析技術(shù)而（但是，相對(duì)于傳統(tǒng)的表達(dá)分析技術(shù)而言，單個(gè)基因分析的成本仍是較低的。）言，單個(gè)基因分析的成本仍是較低的。）第二節(jié)第二節(jié) 生物芯片的分類生物芯片的分類2.1 按載體材料分類按載體材料分類 玻璃芯片玻璃芯片 硅芯片硅芯片 陶瓷芯片陶瓷芯片 玻璃芯片具有易得、熒光背景低、應(yīng)玻璃芯片具有易得、熒光背景低、應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)際上廣泛使用。用方便等優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)際上廣泛使用。 2.2 按點(diǎn)樣方式分類按點(diǎn)樣方式分類1、原位合成芯片原位合成芯片（將半導(dǎo)體中的光蝕刻技術(shù)運(yùn)（將半導(dǎo)體中的光蝕刻技術(shù)運(yùn)用到用到DNA合成化學(xué)中，以單核苷酸

8、或其他分子大合成化學(xué)中，以單核苷酸或其他分子大分子為底物，在玻璃晶片上原位合成寡核苷酸）分子為底物，在玻璃晶片上原位合成寡核苷酸）2、微矩陣芯片微矩陣芯片（目前應(yīng)用最廣泛的基因芯片之一。目前應(yīng)用最廣泛的基因芯片之一。具有高密度、制作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。其是將用具有高密度、制作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。其是將用PCR或或化學(xué)合成等方法得到的化學(xué)合成等方法得到的DNA或寡核苷酸片段用針或寡核苷酸片段用針點(diǎn)或噴點(diǎn)的方法直接排列到玻片等載體上，從而點(diǎn)或噴點(diǎn)的方法直接排列到玻片等載體上，從而制備成芯片。）制備成芯片。）3、電定位芯片電定位芯片（利用靜電吸附的原理將（利用靜電吸附的原理將DNA快快速定位在硅基質(zhì)、導(dǎo)電玻璃上。）

9、速定位在硅基質(zhì)、導(dǎo)電玻璃上。）2.3 按芯片固定的生物分子類型分類按芯片固定的生物分子類型分類 （1）基因芯片或）基因芯片或DNA芯片芯片 （2）蛋白質(zhì)芯片）蛋白質(zhì)芯片 （3）芯片實(shí)驗(yàn)室（）芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-chip） 將一個(gè)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)步驟微縮于一個(gè)芯片上將一個(gè)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)步驟微縮于一個(gè)芯片上芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-chip）或稱微全分析系統(tǒng)（Miniaturized Total Analysis System,-TAS）是指把生物把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離檢和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離檢測(cè)等基本操作單位集成或基本集成一塊幾平

10、方厘米的芯片上，測(cè)等基本操作單位集成或基本集成一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行分析的用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行分析的一種技術(shù)。一種技術(shù)。 芯片實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn): 其一、集成性。集成性。目前一個(gè)重要的趨勢(shì)是：集成的單元部件越來(lái)越多，且集成的規(guī)模也越來(lái)越大。所涉及到的部件包括：和進(jìn)樣及樣品處理有關(guān)的透析、膜、固相萃取、凈化；用于流體控制的微閥（包括主動(dòng)閥和被動(dòng)閥），微泵（包括機(jī)械泵和非機(jī)械泵）；微混合器，微反應(yīng)器，另外還有微通道和微檢測(cè)器等。 其二、分析速度極快。分析速度極快。Mathies研究小組在一個(gè)半徑僅為8厘米長(zhǎng)的園盤上集成了384

11、個(gè)通道的電泳芯片。他們?cè)?25秒內(nèi)檢測(cè)了384份與血色病連鎖的H63D 突變株（在人HFE基因上）樣品，每個(gè)樣品分析時(shí)間不到一秒鐘。 其三、高通量。高通量。 其四、能耗低，物耗少，污染小。能耗低，物耗少，污染小。每個(gè)分析樣品所消耗的試劑僅幾微升至幾十個(gè)微升，被分析的物質(zhì)的體積只需納升級(jí)或皮升級(jí)。 其五、廉價(jià)，安全。廉價(jià)，安全。無(wú)論是化學(xué)反應(yīng)芯片還是分析芯片由于上述特點(diǎn)隨著技術(shù)上的成熟，其價(jià)格將會(huì)越來(lái)越廉價(jià)。針對(duì)化學(xué)反應(yīng)芯片而言，由于化學(xué)反應(yīng)在微小的空間中進(jìn)行，反應(yīng)體積小，分子數(shù)量少，反應(yīng)產(chǎn)熱少，又因反應(yīng)空間體表面積大，傳質(zhì)和傳熱的過(guò)程很快，所以比常規(guī)化學(xué)反應(yīng)更安全。 2.4 按芯片使用功能分類

12、按芯片使用功能分類 （1）測(cè)序芯片）測(cè)序芯片 （2）表達(dá)譜芯片）表達(dá)譜芯片 （3）基因差異表達(dá)分析芯片）基因差異表達(dá)分析芯片一組寡核苷酸探針一組寡核苷酸探針TATGCAATCTAGCGTTAGATACGTTAGAATACGTTAGATCTACGTTAG由雜交位置確定的一組由雜交位置確定的一組核酸探針序列核酸探針序列GTTAGATC雜交探針組雜交探針組TATGCAATCTAG重組的互補(bǔ)序列重組的互補(bǔ)序列靶序列靶序列TACGTTAGACGTTAGAATACGTTACGTTAGATGTTAGATC ATACGTTA測(cè)序芯片測(cè)序芯片基因表達(dá)譜芯片基因表達(dá)譜芯片基因差異表達(dá)分析芯片基因差異表達(dá)分析芯片第

13、三節(jié)第三節(jié) 基因芯片的制作基因芯片的制作固相介質(zhì)固相介質(zhì) 硅片、二氧化硅、玻璃、尼龍膜、塑料等。硅片、二氧化硅、玻璃、尼龍膜、塑料等。靶片段靶片段 DNADNA、寡核苷酸、寡核苷酸、RNARNA等。等。探探 針針 mRNAmRNA，或是以，或是以mRNAmRNA為模板合成的為模板合成的cDNAcDNA。標(biāo)記物標(biāo)記物 常采用常采用熒光劑熒光劑（如（如Cy3Cy3、Cy5Cy5）；）；同位素同位素等。等。3.1 用于芯片制作的用于芯片制作的DNA樣品的來(lái)源樣品的來(lái)源 （1）從細(xì)胞或組織中提取）從細(xì)胞或組織中提取mRNA 后反轉(zhuǎn)錄成后反轉(zhuǎn)錄成cDNA 文庫(kù)，經(jīng)測(cè)序及生物信息學(xué)分析得到代表文庫(kù)，經(jīng)測(cè)序

14、及生物信息學(xué)分析得到代表各個(gè)基因的各個(gè)基因的DNA序列，用序列，用PCR 擴(kuò)增技術(shù)或擴(kuò)增技術(shù)或DNA 固相結(jié)合技術(shù)來(lái)獲取人們所期望的各種基因片段；固相結(jié)合技術(shù)來(lái)獲取人們所期望的各種基因片段； （2）利用基因組測(cè)序數(shù)據(jù)，經(jīng)生物信息學(xué)分析）利用基因組測(cè)序數(shù)據(jù)，經(jīng)生物信息學(xué)分析得到代表各個(gè)基因的數(shù)據(jù)，在利用得到代表各個(gè)基因的數(shù)據(jù)，在利用PCR 技術(shù)或技術(shù)或DNA 固相結(jié)合技術(shù)來(lái)獲取人們所期望的各種基因固相結(jié)合技術(shù)來(lái)獲取人們所期望的各種基因片段。片段。3.2 生物芯片的制作方法生物芯片的制作方法 生物芯片生物芯片微陣列的微陣列的制作技術(shù)制作技術(shù)按照按照制作方制作方法法可分為：可分為：原位合成原位合成和

15、和預(yù)合成后點(diǎn)樣預(yù)合成后點(diǎn)樣。 原位合成法原位合成法是由點(diǎn)樣系統(tǒng)將探針的組成是由點(diǎn)樣系統(tǒng)將探針的組成部分逐步轉(zhuǎn)移到基體上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)探針合成部分逐步轉(zhuǎn)移到基體上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)探針合成和轉(zhuǎn)移的目的。和轉(zhuǎn)移的目的。 預(yù)合成后點(diǎn)樣預(yù)合成后點(diǎn)樣是指制備芯片微陣列前，是指制備芯片微陣列前，要固定的探針已經(jīng)合成好，點(diǎn)樣系統(tǒng)需要做要固定的探針已經(jīng)合成好，點(diǎn)樣系統(tǒng)需要做的就是把這些合成好的樣品涂印或噴涂在基的就是把這些合成好的樣品涂印或噴涂在基體上。體上。1、原位合成、原位合成光刻光刻DNA合成法合成法（將半導(dǎo)體工業(yè)中的光刻技術(shù)（將半導(dǎo)體工業(yè)中的光刻技術(shù)和和DNA化學(xué)合成相結(jié)合，把光不穩(wěn)定保護(hù)基團(tuán)保化學(xué)合成相結(jié)合，把

16、光不穩(wěn)定保護(hù)基團(tuán)保護(hù)的護(hù)的4種種DNA模塊固定在玻片上，通過(guò)光脫保護(hù)，模塊固定在玻片上，通過(guò)光脫保護(hù)，用少量的保護(hù)寡核苷酸和試劑按照設(shè)計(jì)的序列進(jìn)用少量的保護(hù)寡核苷酸和試劑按照設(shè)計(jì)的序列進(jìn)行行DNA合成。）合成。） 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：合成的密度和精度優(yōu)于后兩種方法。合成的密度和精度優(yōu)于后兩種方法。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：需要花費(fèi)大量的時(shí)間去設(shè)計(jì)和制造需要花費(fèi)大量的時(shí)間去設(shè)計(jì)和制造價(jià)格很高的照相掩蔽網(wǎng)。價(jià)格很高的照相掩蔽網(wǎng)。1 1 通過(guò)光刻掩膜曝光通過(guò)光刻掩膜曝光2 2 去保護(hù)區(qū)域被激活去保護(hù)區(qū)域被激活3 3 固相化合成固相化合成1 1個(gè)堿基個(gè)堿基4 4 通過(guò)另一個(gè)光刻掩膜曝光通過(guò)另一個(gè)光刻掩膜曝光5 5 引入另

17、一個(gè)堿基引入另一個(gè)堿基6 6 重復(fù)這一步驟重復(fù)這一步驟2、預(yù)合成后點(diǎn)樣、預(yù)合成后點(diǎn)樣（1）接觸點(diǎn)樣法）接觸點(diǎn)樣法（將樣品直接點(diǎn)在基體（將樣品直接點(diǎn)在基體上）上） 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易研制，是儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易研制，是一種快速、經(jīng)濟(jì)、多功能的儀器。一種快速、經(jīng)濟(jì)、多功能的儀器。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：每個(gè)樣品都必須是合成好、經(jīng)每個(gè)樣品都必須是合成好、經(jīng)過(guò)純化、事先保存的。過(guò)純化、事先保存的。22022202芯片點(diǎn)樣儀芯片點(diǎn)樣儀 生產(chǎn)商生產(chǎn)商 Bio-RadBio-Rad 性能介紹性能介紹 分辨率：分辨率：1.25um(x1.25um(x，y y軸軸) )和和0.25um(Z0.25um(Z軸軸)

18、 ) ， 重復(fù)性：重復(fù)性：3um3um 球面精確性：球面精確性：l0uml0um。一次制成芯片數(shù)：一次制成芯片數(shù)：126126塊芯片塊芯片 每塊玻片點(diǎn)樣量每塊玻片點(diǎn)樣量82,00082,000個(gè)點(diǎn)個(gè)點(diǎn)（2）噴墨法）噴墨法（通過(guò)壓電晶體或其他推進(jìn)（通過(guò)壓電晶體或其他推進(jìn)式從很小的噴嘴內(nèi)把生物樣品噴射到玻式從很小的噴嘴內(nèi)把生物樣品噴射到玻璃載體上。）璃載體上。） 該法所需的樣品都必須是合成好的該法所需的樣品都必須是合成好的純樣品（純樣品（cDNA、染色體、染色體DNA和抗體）。和抗體）。 與接觸點(diǎn)樣法不同之處在于噴嘴不與接觸點(diǎn)樣法不同之處在于噴嘴不與芯片接觸。與芯片接觸。點(diǎn)樣法首先按常規(guī)方法制備點(diǎn)

19、樣法首先按常規(guī)方法制備cDNAcDNA（或寡核苷酸）探針庫(kù)，（或寡核苷酸）探針庫(kù)，然后通過(guò)特殊的針頭和微噴頭然后通過(guò)特殊的針頭和微噴頭, , 分別把不同的探針溶液，分別把不同的探針溶液，逐點(diǎn)分配在玻璃、尼龍或者其它固相基底表面上不同位點(diǎn)逐點(diǎn)分配在玻璃、尼龍或者其它固相基底表面上不同位點(diǎn), ,并通過(guò)物理和化學(xué)的結(jié)合使探針被固定于芯片的相應(yīng)位點(diǎn)。并通過(guò)物理和化學(xué)的結(jié)合使探針被固定于芯片的相應(yīng)位點(diǎn)。 玻璃基質(zhì)玻璃基質(zhì)基因芯片基因芯片微微 點(diǎn)點(diǎn) 陣陣制備系統(tǒng)制備系統(tǒng)3.3 DNA分子在剛性表面的固定分子在剛性表面的固定 制作生物芯片的載體材料必須符合下列要制作生物芯片的載體材料必須符合下列要求：求：

20、（1）載體表面必須適應(yīng)透射或反射光的）載體表面必須適應(yīng)透射或反射光的測(cè)量；測(cè)量； （2）使單位載體上結(jié)合的生物分子達(dá)到）使單位載體上結(jié)合的生物分子達(dá)到最佳容量；最佳容量； （3）載體應(yīng)當(dāng)是惰性的和有足夠的穩(wěn)定）載體應(yīng)當(dāng)是惰性的和有足夠的穩(wěn)定性。性。 基因芯片制作的關(guān)鍵就是如何將大量的探基因芯片制作的關(guān)鍵就是如何將大量的探針?lè)肿庸潭ㄓ谥С治锷?，并保持探針?lè)肿俞樂(lè)肿庸潭ㄓ谥С治锷希⒈３痔结樂(lè)肿拥臉?gòu)像處于自然狀態(tài)，使探針的構(gòu)像處于自然狀態(tài)，使探針 DNA DNA 分子能分子能自由地與樣品分子進(jìn)行雜交。自由地與樣品分子進(jìn)行雜交。第四節(jié)第四節(jié) 基因芯片的雜交及結(jié)果分基因芯片的雜交及結(jié)果分析析4.1 探

21、針的標(biāo)記探針的標(biāo)記 標(biāo)記的方法通常是在反轉(zhuǎn)錄的底物中加標(biāo)記的方法通常是在反轉(zhuǎn)錄的底物中加入帶有標(biāo)記基團(tuán)的寡核苷酸單體，通過(guò)反入帶有標(biāo)記基團(tuán)的寡核苷酸單體，通過(guò)反轉(zhuǎn)錄將標(biāo)記分子滲入轉(zhuǎn)錄將標(biāo)記分子滲入cDNA 分子中。分子中。 mRNA反轉(zhuǎn)錄標(biāo)記方法直接影響反轉(zhuǎn)錄標(biāo)記方法直接影響DNA芯芯片分析結(jié)果的準(zhǔn)確性及重現(xiàn)性。片分析結(jié)果的準(zhǔn)確性及重現(xiàn)性。4.2 雜交雜交 在一定條件下，分子間氫鍵的斷裂在一定條件下，分子間氫鍵的斷裂與恢復(fù)是與恢復(fù)是 DNA/DNA、DNA/RNA 分子分子間選擇性結(jié)合的根本動(dòng)力，這一過(guò)程間選擇性結(jié)合的根本動(dòng)力，這一過(guò)程稱之為稱之為雜交雜交。 與經(jīng)典分子雜交的區(qū)別：與經(jīng)典分子雜

22、交的區(qū)別： 雜交時(shí)間短，雜交時(shí)間短，30分鐘內(nèi)完成分鐘內(nèi)完成 可同時(shí)平行檢測(cè)許多基因序列可同時(shí)平行檢測(cè)許多基因序列 影響雜交反應(yīng)的因素：影響雜交反應(yīng)的因素： 靶分子濃度、探針濃度、靶分子和探靶分子濃度、探針濃度、靶分子和探針的序列組成、鹽濃度及雜交溫度和時(shí)間針的序列組成、鹽濃度及雜交溫度和時(shí)間等。等。4.3 芯片結(jié)果讀取與掃描儀芯片結(jié)果讀取與掃描儀生物芯片的掃讀生物芯片的掃讀（掃描）是指將與目的（掃描）是指將與目的DNA（或（或RNA）雜交后、或與目的抗原、抗體、）雜交后、或與目的抗原、抗體、或受體等目的靶分子反應(yīng)結(jié)合后的生物芯片或受體等目的靶分子反應(yīng)結(jié)合后的生物芯片上成千上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)陣的生物反應(yīng)

23、結(jié)果閱讀出來(lái)，上成千上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)陣的生物反應(yīng)結(jié)果閱讀出來(lái)，轉(zhuǎn)變成為可供計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)變成為可供計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)。熒光標(biāo)記的生物芯片掃描儀按其原理與結(jié)構(gòu)熒光標(biāo)記的生物芯片掃描儀按其原理與結(jié)構(gòu)可以分為可以分為激光系統(tǒng)掃描儀激光系統(tǒng)掃描儀和和CCD系統(tǒng)掃描儀系統(tǒng)掃描儀。 基因芯片雜交結(jié)果要用專用的掃描系統(tǒng)基因芯片雜交結(jié)果要用專用的掃描系統(tǒng)讀取。讀取。BBACDE放大器放大器數(shù)模轉(zhuǎn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器換器計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)A:激光器激光器 B:濾光片濾光片 C:二色鏡二色鏡 D:反光鏡反光鏡 E:關(guān)柵關(guān)柵 基因芯片掃描結(jié)果基因芯片掃描結(jié)果不同的顏色代表一個(gè)探針點(diǎn)雜交上的帶熒光標(biāo)記不同的顏色代表一個(gè)探針點(diǎn)雜交上的帶熒

24、光標(biāo)記的核酸分子數(shù)的差異。紅黃綠蘭紫的核酸分子數(shù)的差異。紅黃綠蘭紫基因芯片熒光偵測(cè)儀基因芯片熒光偵測(cè)儀 高密度微點(diǎn)陣檢測(cè)掃描系統(tǒng)高密度微點(diǎn)陣檢測(cè)掃描系統(tǒng)高密度微點(diǎn)陣分析軟件高密度微點(diǎn)陣分析軟件 圖象分析系統(tǒng)圖象分析系統(tǒng)4.4 生物芯片的軟件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理生物芯片的軟件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理 當(dāng)從芯片發(fā)出的熒光轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸當(dāng)從芯片發(fā)出的熒光轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出后，數(shù)據(jù)文件就被定量和翻譯，通過(guò)出后，數(shù)據(jù)文件就被定量和翻譯，通過(guò)重疊芯片像線柵，軟件對(duì)芯片上的每個(gè)重疊芯片像線柵，軟件對(duì)芯片上的每個(gè)點(diǎn)計(jì)算平均密度值，從而完成定量，通點(diǎn)計(jì)算平均密度值，從而完成定量，通過(guò)對(duì)芯片上實(shí)驗(yàn)點(diǎn)和對(duì)照點(diǎn)的比較，選過(guò)對(duì)芯片上實(shí)驗(yàn)點(diǎn)和

25、對(duì)照點(diǎn)的比較，選出雜交點(diǎn)，并定量。出雜交點(diǎn)，并定量。 一個(gè)完整的生物芯片配套軟件應(yīng)一個(gè)完整的生物芯片配套軟件應(yīng)該包括該包括生物芯片掃描儀的硬件控制軟生物芯片掃描儀的硬件控制軟件件、生物芯片的圖像處理軟件生物芯片的圖像處理軟件和和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)提取或統(tǒng)計(jì)分析軟件提取或統(tǒng)計(jì)分析軟件，以及，以及芯片表達(dá)芯片表達(dá)基因的國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上檢索基因的國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上檢索和和表達(dá)基因表達(dá)基因數(shù)據(jù)庫(kù)分析和積累數(shù)據(jù)庫(kù)分析和積累。第五節(jié)第五節(jié) 基因芯片的應(yīng)用基因芯片的應(yīng)用1、基因表達(dá)分析、基因表達(dá)分析2、基因型及多態(tài)性分析、基因型及多態(tài)性分析3、雜交測(cè)序、雜交測(cè)序4、核酸和蛋白質(zhì)相互作用的研究、核酸和蛋白質(zhì)相互作用的研究5、疾病

26、的診斷與治療、疾病的診斷與治療6、藥物開(kāi)發(fā)、藥物開(kāi)發(fā)7、在營(yíng)養(yǎng)與食品衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用、在營(yíng)養(yǎng)與食品衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用8、在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用、在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用基因芯片在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用基因芯片在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用一、基因芯片可應(yīng)用于疾病診斷一、基因芯片可應(yīng)用于疾病診斷1 1）腫瘤的基因診斷）腫瘤的基因診斷 例：例：AffymetrixAffymetrix公司，把公司，把P53P53基因全長(zhǎng)序列基因全長(zhǎng)序列和已知突變的探針集成在芯片上，制成和已知突變的探針集成在芯片上，制成P53P53基因芯片，將在癌癥早期診斷中發(fā)揮作用?；蛐酒?，將在癌癥早期診斷中發(fā)揮作用。2 2）用于診斷遺傳性疾?。┯糜谠\斷遺傳

27、性疾病例：上海聯(lián)合基因公司開(kāi)發(fā)了例：上海聯(lián)合基因公司開(kāi)發(fā)了-地中海性貧地中海性貧血的檢測(cè)芯片血的檢測(cè)芯片3 3）用于病原體的檢出和確定）用于病原體的檢出和確定例：西安聯(lián)爾公司開(kāi)發(fā)了呼吸道病原體診斷例：西安聯(lián)爾公司開(kāi)發(fā)了呼吸道病原體診斷芯片，可檢出多種引起呼吸道感染的病原芯片，可檢出多種引起呼吸道感染的病原體。體。二、用于組織配型二、用于組織配型例：上海復(fù)旦長(zhǎng)江生物醫(yī)藥股份有限公司開(kāi)例：上海復(fù)旦長(zhǎng)江生物醫(yī)藥股份有限公司開(kāi)發(fā)了發(fā)了HLAHLA分型芯片，目前已在國(guó)內(nèi)各大血站分型芯片，目前已在國(guó)內(nèi)各大血站投入應(yīng)用。投入應(yīng)用。三、藥物研究三、藥物研究檢測(cè)與疾病相關(guān)的基因檢測(cè)與疾病相關(guān)的基因, , 進(jìn)而用于疾病診斷進(jìn)而用于疾病診斷目前主要涉及：目前主要涉及：癌癥、癌癥、心血管疾病、心血管疾病、血液病、血液病、遺傳性疾病、遺傳性疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、部分感染性疾病、部分感染性疾病、免疫反應(yīng)相關(guān)性疾病免疫反應(yīng)相關(guān)性疾病毒物引起的損傷等。毒物引起的損傷等?；蚬δ芊治鲅芯炕蚬δ芊治鲅芯?將成千上萬(wàn)個(gè)我們克隆到的特異性靶基因固定在將成千上萬(wàn)個(gè)我們克隆到的特異性靶基因固定在一塊芯片上，對(duì)來(lái)源于不同個(gè)體不同組織不同細(xì)胞周一塊芯片上，對(duì)來(lái)源于不同個(gè)體不同組織不同細(xì)胞周期不同發(fā)育階段不同分化階段不同病變不同刺激（包期不同發(fā)育階段不同分化階段不同病變不同刺激