生物工程研究方法.ppt

基因芯片 制作人 李昕宣任杰2014级生物工程 什么是基因芯片 基因芯片 又称DNA芯片 生物芯片 技术就是顺应这一科学发展要求的产物 它的出现为解决此类问题提供了光辉的前景 该技术系指将大量 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 合以及激光共聚焦显微技术的引入 它使得合成 固定高密度的数以万计的探针分子切实可行 而且借助基因芯片激光共聚焦显微扫描技术使得可以对杂交信号进行实时 灵敏 准确的检测和分析 基因芯片的原理 基因芯片的相关技术 基因芯片的应用 基因芯片 genechip 的原型是80年代中期提出的 基因芯片的测序原理是杂交测序方法 即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法 可以用图1来说明 在一块基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针 当溶液中带有荧光标记的核酸序列TATGCAATCTAG 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 基因芯片又称为DNA微阵列 DNAmicroarray 可分为三种主要类型 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 用点样法固定在玻璃板上的DNA探针阵列 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苷酸探针阵列 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 它是在基因探针的基础上研制出的 所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列 在探针上连接一些可检测的物质 根据碱基互补的原理 利用基因探针到基因混合物中识别特定基因 它将大量探针分子固定于支持物上 然后与标记的样品进行杂交 通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析 基因芯片通过应用平面微细加工技术和超分子自组装技术 把大量分子检测单元集成在一个微小的固体基片表面 可同时对大量的核酸和蛋白质等生物分子实现高效 快速 低成本的检测和分析 生物芯片技术主要包括三个基本要点 芯片方阵的构建 样品的制备 生物分子反应和信号的检测 1 芯片制备 先将玻璃片或硅片进行表面处理 然后使DNA片段或蛋白质分子按顺序排列在片芯上 样品制备 生物样品往往是非常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 可将样品进行生物处理 获取其中的蛋白质或DNA RNA 并且加以标记 以提高检测的灵敏度 2 生物分子反应 芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键一步 通过选择合适的反应条件使生物分子间反应处于最佳状况中 减少生物分子之间的错配比率 3 芯片信号检测 常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中 通过扫描以获得有关生物信息 基因芯片的制备主要有两种基本方法 一是在片合成法 另一种方法是点样法 在片合成法是基于组合化学的合成原理 它通过一组定位模板来决定基片表面上不同化学单体的偶联位点和次序 在片合成法制备DNA芯片的关键是高空间分辨率的模板定位技术和固相合成化学技术的精巧结合 目前 已有多种模板技术用于基因芯片的在片合成 如光去保护并行合成法 光刻胶保护合成法 微流体模板固相合成技术 分子印章多次压印原位合成的方法 喷印合成法 在片合成法可以发挥微细加工技术的优势 很适合制作大规模DNA探针阵列芯片 实现高密度芯片的标准化和规模化生产 50 32 18 靶基因的制备需要运用常规手段从细胞和组织中提取模板分子 进行模板的扩增和标记 基因芯片包括大量探针分子 因此 靶基因样品的制备方法将根据基因芯片的类型和所研究的对象 如mRNA DNA等 而决定 待测样品的标记 主要采用荧光分子 常规标记的过程是通过在扩增过程中加入含有荧光标记的dNTP 至少一种为荧光标记的 荧光标记的单核苷酸分子 在转录和复制过程中 被引入新合成的DNA片段 后者变性后 即可与基因芯片上的微探针阵列进行分子杂交 也可采用末端标记法 直接在引物上标记荧光 对于阵列密度较小的基因芯片 经常用膜片作为基底 可以用同位素检测法 采用32P标记技术 这样可以运用现在普通使用的同位素显影技术和仪器 cDNA基因芯片与靶基因的杂交过程与一般常规的分子杂交过程基本相同 在基因芯片的杂交检测中 为了更好的比较不同来源样品的基因表达差异 或者为了提高基因芯片检测的准确性和测量范围 通常使用多色荧光技术 即把不同来源的靶基因用不同激发波长的的荧光探针来修饰 并同时使它们与基因芯片杂交 通过比较芯片上不同波长荧光的分布图 可以直接获得不同样品中基因表达的差异 美国Nanogen公司提出了一种通过交变电场加速基因芯片的杂交速度的主动式基因芯片 他们利用核酸分子所带的负电性质 通过快速反转电场的极性 使靶基因与探针间产生快速结合和分离 通过控制电场的大小 使得完全匹配杂交的核酸分子保留在阵列表面 而非特异性结合的DNA在电场的作用下与探针分离 这种芯片的分子杂交速度可缩短至1分钟以下甚至数秒 chengetal 1998 因此有较广阔的应用前景 姓名职务 姓名职务 姓名职务 姓名职务 姓名职务 姓名职务 姓名职务 1 药物筛选和新药开发由于所有药物 或兽药 都是直接或间接地通过修饰 改变人类 或相关动物 基因的表达及表达产物的功能而生效 而芯片技术具有高通量 大规模 平行性地分析基因表达或蛋白质状况 蛋白质芯片 的能力 在药物筛选方面具有巨大的优势 用芯片作大规模的筛选研究可以省略大量的动物试验甚至临床 缩短药物筛选所用时间 提高效率 降低风险2 疾病诊断基因芯片作为一种先进的 大规模 高通量检测技术 应用于疾病的诊断 其优点有以下几个方面 一是高度的灵敏性和准确性 二是快速简便 三是可同时检测多种疾病 如应用于产前遗传性疾病检查 抽取少许羊水就可以检测出胎儿是否患有遗传性疾病 同时鉴别的疾病可以达到数十种甚至数百种 这是其他方法所无法替代的3 环境保护在环境保护上 基因芯片也广泛的用途 一方面可以快速检测污染微生物或有机化合物对环境 人体 动植物的污染和危害 同时也能够通过大规模的筛选寻找保护基因 制备防治危害的基因工程药品 或能够治理污染源的基因产品 4 司法基因芯片还可用于司法 现阶段可以通过DNA指纹对比来鉴定罪犯 未来可以建立全国甚至全世界的DNA指纹库 到那时以直接在犯罪现场对可能是疑犯留下来的头发