《生物芯片》PPT课件.ppt

第五章基因芯片技术,生物芯片生物芯片技术是一种高通量检测技术。,通常我们所说的生物芯片是将含不同生物信息的生物分子集成到一块芯片上,用以同时分析多种生物分子的信息。由于常用玻片/硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。,生物芯片（biochip）采用原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽等等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。,人类染色体,人有多少基因?,Fruitfly:13,000genesHuman:28,000genes.,Thesurprisinglysmallnumberofgenesinthehumangenome(100,000expected;30,000identified)wasamajorsurprisefromtheproject.,HumanBeingsare99.99%thesame,Millionsofdifferencesbetweenofus,这二人的基因有什么不一样?,先天愚型也称21三体综合征(47XX+21)或Down综合征（唐氏综合征），属常染色体畸变遗传病,蓝肤症：蓝色的人，整个十九世纪60年代，一个庞大的“蓝人”家族居住在肯德基州山上，紧挨着克里克联盟的印第安人。Anenzymecalled“NADHdiaphorase,”(辅酶脱氢酶)。Thisenzymerepairshemoglobinthathasbeendamagedbyoxidization.Humansinwhomthisgeneisdefectivecannotmaketheenzyme,andaccumulatedamagedhemoglobin,whichisblue.Asaresult,theirskinappearsblue.,什么使他们俩不一样,什么使他成这样,1、基因芯片(Genechip)又称DNA芯片(DNAChip)。将寡核苷酸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弱进而判断样品中靶分子的数量,DNAMicroarry原理:DNA杂交碱基互补,杂交是根据碱基互补的原理。,探针分子固定于支持物上,固定于支持物上的探针,与标记的样品进行杂交,利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。,固定于支持物上的探针,与标记样品的碱基不互补则探针与样品不能进行杂交,通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析从而得到基因的表达水平,正常高表达低表达,通过检测杂交信号的强弱进而判断样品中靶分子的数量。,DNAmicroarry的优缺点,优点:高效率:同时检测成千的基因敏感性高方法不复杂缺点:只能应用于DNA和RNA的研究（不能直接检测蛋白质）假阳性,优点,2、蛋白质芯片蛋白芯片是指将大量蛋白质分子(蛋白质组)按预先设置的排列固定于一种载体表面行成微阵列，然后与要检测的组织或细胞等进行“杂交”，再通过自动化仪器分析得出结果。这里所指的“杂交”是指蛋白与蛋白之间如(抗体与抗原)在空间构象上能特异性的相互识别。,蛋白质组(proteome)是指一个基因，一个细胞或组织所表达的全部蛋白质成分。蛋白质组学研究的是在不同时间和空间发挥功能的特定蛋白质群体，从而揭示和说明生命活动的基本规律。,生物活性的蛋白质的产生,生物活性的蛋白质,加工、修饰,基因的转录表达蛋白质前体,2蛋白质芯片的特点:蛋白质芯片是一种高通量的研究方法，能在一次实验中提供相当大的信息量，使我们能够全面、准确的研究蛋白表达谱。蛋白质组芯片的灵敏度高，它可以检测出蛋白样品中微量蛋白的存在，检测水平已达ng级。蛋白质芯片具有高度的准确性。,蛋白质芯片的优缺点,优点:高效率:同时检测成千个蛋白敏感性高缺点:制作复杂,成本较高现行没有令人满意蛋白质表达系统,生物芯片技术：,芯片方阵的构建样品的制备生物分子反应信号的检测,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苷酸片段或cDNA作为探针按顺序排列在载体上。,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）或称缩微芯片实验室（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。,生物芯片的应用,药物筛选和新药开发环境保护司法现代农业基因表达水平的检测寻找新基因测序疾病诊断个体化医疗,1、药物筛选和新药开发由于所有药物都是直接或间接地通过修饰、改变人类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的能力，在药物筛选方面具有巨大的优势。,2、环境保护在环境保护上，基因芯片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。,3、司法通过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、唾液、血液、精液等进行分析，并立刻与DNA罪犯指纹库系统存储的DNA“指纹”进行比较，以尽快、准确的破案。,4、现代农业基因芯片技术可以用来筛选农作物的基因突变，并寻找高产量、抗病虫、抗干旱、抗冷冻的相关基因，也可以用于基因扫描及基因文库作图、商品检验检疫等领域。,5、研究领域包括基因表达检测、寻找新基因、杂交测序、基因突变和多态性分析以及基因文库作图以及等方面。,6)DNA测序。芯片技术中杂交测序技术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。,7)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基因和黑色素瘤生长刺激因子就是通过基因芯片技术发现的。,8、疾病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。,基因表达水平的异常可引起疾病,肿瘤细胞多种致癌基因表达升高肿瘤细胞多种肿瘤抑制基因表达降低,常染色体显性遗传性多囊肾PolycysticKidneyDiseasePKD1和PKD2先天异常多在40岁以后发病半数出现肾衰,遗传病迟发型,基因突变,9.个体化用药IndividualizedChemotherapy,种族、个体等因素都会导致遗传背景的差异，临床上，同样剂量的药物对于不同患者在药物疗效与副作用方面会有很大差异，如果利用基因芯片技术对患者进行诊断再开处方，就可以对患者实施个体化治疗。疾病一般不是由单个基因引起的，在治疗中很多同种疾病的具体病因是因人而异的，所以用药也因人而异。,前景展望尽管生物芯片发展时间不长，迄今在医学研究实际应用中的例子还不多，但由于芯片技术