9生物信息与生物芯片

1、生物信息生物信息与与生物芯片生物芯片生物信息学生物信息学(Bioinformatics)生物信息生物信息(Bioinformatics)广义的概念广义的概念生命现象是不同层次上的物质、能量与信息的交换，不同层次是指核酸、蛋白质、细胞、器官、系统、整体等研究生物体系和生物过程中信息的内涵和信息的传递 生物电磁学与电磁生物学、视觉系统与光信息处理、脑和神经系统与信息、生物体结构与微光机电系统ComputationInformaticsBiologyBioinformatics算法统计学信息理论图形学科学可视化图像识别人工智能密码学非线性动力学计算机模拟语言学机器学习数据库软件工程计算机网络分布式系

2、统数据获取数据解释基因组图谱三维结构预测分子建模药物设计同源比较分子进化数据库检索基因预测仪器设计数据库构建基因调控基因诊断及治疗生物信息学计算机科学和数学分子生物学生物信息学的研究内容生物信息学的研究内容数学、计算机科学、生物学1、与HGP相关的研究内容2、功能基因组研究相关内容3、蛋白组学相关4、基因芯片信息学研究基因功能预测基因功能预测 序列同源比较序列同源比较如果基因A与基因 B有相当的同源性，那么基因A可能具有类似基因B的功能。蛋白质结构预测蛋白质结构预测 可以通过计算（如分子力学、分子动力学等）来进行结构预测（1）对于自然的蛋白质结构和未折叠的蛋白质结构，两者之间的能量差非常小（1

3、kcal/mol 数量级）（2）研究蛋白质结构的计算量非常大比较基因组比较基因组学学研究研究 生命是从哪里起源与进化的？遗传密码是如何起源的？物种间的最小差异是多少？鼠和人的基因组大小相似，都含有约三十亿碱基对，基因的数目也类似，可是鼠和人差异确如此之大，这是为什么？不同人种间基因组的差别仅为 0.1%；人猿间差别约为1%。但他们表型间的差异十分显著。 这又为什么？完整基因组序列的比较研究是解决这些问题的重要途径。生物芯片生物芯片(biochip)技术技术1、分类n微芯片微芯片n芯片上蚀刻大量微流路芯片上蚀刻大量微流路(直径直径1050 m)并与大量微室并与大量微室(nanoliter，毫微，

4、毫微升等级化学反应室升等级化学反应室)相连相连n允许进行大量平行试验允许进行大量平行试验n微流路的液流由电渗、压力、离心力驱动微流路的液流由电渗、压力、离心力驱动n具快速、低耗、廉价、便携等特点具快速、低耗、廉价、便携等特点n促进分子遗传学技术向微型化、高通量化促进分子遗传学技术向微型化、高通量化、自动化大步迈进、自动化大步迈进nDucre等等(2005)对此技术市场分析指出：对此技术市场分析指出：目前约目前约500 million euros，至，至08年将升年将升致致1.46 billionClayton et al: Nature Methods, 2: 621627, 2005几种最简

5、单的微芯片(Micronit Microfluidics公司产品)Microfluidics (MF)技术技术2.功能生物芯片生物芯片 MF技术与技术与PCR及凝胶电泳技术结合及凝胶电泳技术结合n玻片上蚀刻流路后覆盖玻片即成微玻片上蚀刻流路后覆盖玻片即成微管道，玻片背后将三块恒温铜块管道，玻片背后将三块恒温铜块(95、5565、7277)作热作热源，反应液流经不同温度区完成解源，反应液流经不同温度区完成解链、退化和延伸，扩增细菌解旋酶链、退化和延伸，扩增细菌解旋酶基因基因176 bp，20循环，仅循环，仅10多分多分钟钟n在芯片上将连续流式在芯片上将连续流式PCR与芯片毛与芯片毛细管电泳连接组

6、成细管电泳连接组成DNA分析系统分析系统n在同一芯片上细胞分离、基因扩增在同一芯片上细胞分离、基因扩增及产物电泳等联用装置，实现及产物电泳等联用装置，实现Lab-on-a-chip技术技术(a) 芯片PCR (b) 加热恒温铜片张自立张自立 等等: 现代生命科学进展现代生命科学进展, 科学出版社科学出版社, 2004Lab-on-a-chip张自立张自立 等等: 现代生命科学进展现代生命科学进展, 科学出版社科学出版社, 20043.信息生物芯片技术原理生物芯片技术原理 将大量探针分子固定在支持物上，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种类和数量基因（基因（D

7、NADNA）芯片技术）芯片技术概述概述包括：包括： 杂交技术：杂交技术：核酸杂交技术核酸杂交技术 探针标记技术：探针标记技术：萤光探针标记法萤光探针标记法 检测技术：检测技术：激光共聚焦检测技术激光共聚焦检测技术特殊之处：特殊之处：微阵列技术和微点样技术微阵列技术和微点样技术特点：特点：微型化、集约化与标准化，使其具有小量、精微型化、集约化与标准化，使其具有小量、精确、光谱、全面、快捷和灵活的特点，从而实现确、光谱、全面、快捷和灵活的特点，从而实现“将整个实将整个实验室缩微到一片芯片上验室缩微到一片芯片上”的愿望的愿望动画演示 采用这种技术生产的采用这种技术生产的DNA芯片探针阵芯片探针阵列密

8、度可以高达列密度可以高达106-1010/cm2，即在，即在1厘米厘米见方的片基上排列几百万个探针见方的片基上排列几百万个探针DNADNA芯片制备原理芯片制备原理 （一）光引导原位合成技术（一）光引导原位合成技术 在固定面上化学合成一系列寡核苷酸与游在固定面上化学合成一系列寡核苷酸与游离的靶分子（离的靶分子（DNADNA或或RNARNA）杂交）杂交 （二）微量点样技术（二）微量点样技术这类这类DNA芯片所用支持物为载玻片或尼龙膜。用电脑控芯片所用支持物为载玻片或尼龙膜。用电脑控制的机械手点上探针制的机械手点上探针DNA分子，点样量很小约为分子，点样量很小约为0.005微升微升优点：优点：探针密

9、度高（每平方厘米探针密度高（每平方厘米2500个探针），芯片制造速个探针），芯片制造速 度快度快缺点：缺点：探针需事先合成、纯化，定量准确性及重现性不好探针需事先合成、纯化，定量准确性及重现性不好（三）化学喷射技术（三）化学喷射技术将事先合成好的寡聚核苷酸探针喷射到芯片上指定的位置将事先合成好的寡聚核苷酸探针喷射到芯片上指定的位置优点：优点：定量、准确，重现性好，使用寿命长定量、准确，重现性好，使用寿命长缺点：缺点：喷印的斑点大，探针密度低（每平方厘米只有喷印的斑点大，探针密度低（每平方厘米只有400 个探针）个探针）Microarray_Printer样品制备样品制备 从血液或活组织中获取从

10、血液或活组织中获取DNA 杂交杂交 是一种斑点杂交技术。代表不同待检测基因的探针被是一种斑点杂交技术。代表不同待检测基因的探针被固定在芯片上，而被检测核酸用放射性或萤光标记后与芯固定在芯片上，而被检测核酸用放射性或萤光标记后与芯片的固相阵列杂交片的固相阵列杂交DNADNA芯片信号的检测系统芯片信号的检测系统 常见的是激光共聚焦检测系统，主要由激光共常见的是激光共聚焦检测系统，主要由激光共聚焦显微镜组成聚焦显微镜组成 原理：原理： 将表面布满探针阵列的芯片置于恆温流动池上，将表面布满探针阵列的芯片置于恆温流动池上，池内为含有萤光标记的靶分子溶液，激发光从芯片池内为含有萤光标记的靶分子溶液，激发光

11、从芯片背面射入，并在芯片与溶液界面聚焦，发射萤光由背面射入，并在芯片与溶液界面聚焦，发射萤光由成像显微镜最终到达检测器，那些未结合到芯片探成像显微镜最终到达检测器，那些未结合到芯片探针上的标记分子由于不在聚焦部位，发射光即不能针上的标记分子由于不在聚焦部位，发射光即不能被检测到被检测到分析系统分析系统 是一部高性能的计算机，其中最重要的是一部高性能的计算机，其中最重要的是分析软件，对于大量的基因表达分析需要是分析软件，对于大量的基因表达分析需要有全面智能化的分析辅助软件有全面智能化的分析辅助软件1.蛋白芯片的原理加血清样本加血清样本加荧光标记物加荧光标记物已点样好的芯片已点样好的芯片2.蛋白芯

12、片的应用n诊断疾病：如传染病、肿瘤、遗传病及心血管疾病等 n蛋白质相互作用研究 n蛋白质与DNA相互作用研究 生物芯片的应用生物芯片的应用一、一、DNA序列分析（测序）序列分析（测序） 原理是依靠短的标记寡核苷酸探针与靶原理是依靠短的标记寡核苷酸探针与靶DNA杂交，利用杂杂交，利用杂交谱重建靶交谱重建靶DNA序列序列 如有一个六核苷酸序列的靶基因，现以包含三核苷酸阵如有一个六核苷酸序列的靶基因，现以包含三核苷酸阵列的微芯片（内含列的微芯片（内含43=64种核苷酸的探险针阵列）与之进行杂种核苷酸的探险针阵列）与之进行杂交反应交反应 结果：结果： TAA AAC ACG CGA 被测样品原序列为：

13、被测样品原序列为：ATTGCT动画演示二、基因表达分析二、基因表达分析 将不同条件下从生物体中转录出来的所有将不同条件下从生物体中转录出来的所有mRNA经标经标记后，再与芯片上代表所有基因特征的寡核苷酸方阵进行记后，再与芯片上代表所有基因特征的寡核苷酸方阵进行杂交，通过分析杂交位点及其信号强弱，就可得出不同情杂交，通过分析杂交位点及其信号强弱，就可得出不同情况下每个基因是否表达及表达量为多少况下每个基因是否表达及表达量为多少三、基因诊断三、基因诊断 从正常人的基因组中分离出从正常人的基因组中分离出DNA并与芯片上的特异性方并与芯片上的特异性方阵杂交，可得到标准图谱。从病人基因组中分离阵杂交，可得到标准图谱。从病人基因组中分离DNA并与芯并与芯片杂交就得到病变图谱，通过图谱的比较、分析，就可以得片杂交就得到病变图谱，通过图谱的比较、分析，就可以得出病变的出病变的DNA信息：部位、什么序列改变信息：部位、什么序列改变 P53、HIV-1的芯片己有售的芯片己有售四、基因组分析与新基因的发现四、基因组分析与新基因的发现 将基因组中的一些多态信息装入