基因工程5-基因芯片技术

第七章基因芯片技术随着人类基因组（测序）计划（Humangenomeproject）的逐步实施以及分子生物学相关学科的迅猛发展，越来越多的动植物、微生物基因组序列得以测定，基因序列数据正在以前所未有的速度迅速增长。然而,怎样去研究如此众多基因在生命过程中所担负的功能就成了全世界生命科学工作者共同的课题。为此，建立新型杂交和测序方法以对大量的遗传信息进行高效、快速的检测、分析就显得格外重要。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。第一节生物芯片简介一、生物芯片的定义

生物芯片（biochip）是指采用光导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、多肽分子甚至组织切片、细胞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。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。根据芯片上固定的探针不同，生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片；另外根据原理还有元件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片等新型生物芯片。如果芯片上固定的是肽或蛋白，则称为肽芯片或蛋白芯片；如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探针或DNA，就是DNA芯片。由于基因芯片（Genechip）这一专有名词已经被业界的领头羊Affymetrix公司注册专利，因而其他厂家的同类产品通常称为DNA微阵列(DNAMicroarray)。这类产品是目前最重要的一种，有寡核苷酸芯片、cDNA芯片和Genomic芯片之分，包括二种模式：一是将靶DNA固定于支持物上，适合于大量不同靶DNA的分析，二是将大量探针分子固定于支持物上，适合于对同一靶DNA进行不同探针序列的分析。生物芯片技术是90年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一，是融微电子学、生物学、物理学、化学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术，具有重大的基础研究价值，又具有明显的产业化前景。由于用该技术可以将极其大量的探针同时固定于支持物上，所以一次可以对大量的生物分子进行检测分析，从而解决了传统核酸印迹杂交（SouthernBlotting和NorthernBlotting等）技术复杂、自动化程度低、检测目的分子数量少、低通量(lowthrough-put)等不足。而且，通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的应用价值，如基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序（Sequencingbyhybridization,SBH）等，为后基因组计划时期基因功能的研究及现代医学科学及医学诊断学的发展提供了强有力的工具，将会使新基因的发现、基因诊断、药物筛选、给药个性化等方面取得重大突破，为整个人类社会带来深刻广泛的变革。该技术被评为1998年度世界十大科技进展之一。二、基因芯片分析流程基因芯片是DNA片段以预先设计的排列方式固定在载玻片或尼龙膜上而组成的密集分子排列。在经过处理的玻片表面铺上一层连杆分子，其羟基上加有光敏保护基团，可以用光照除去。再用特制的光刻掩膜保护不需合成的部位，而暴露合成部位。在光的作用下使羟基上的保护基团去除，出现游离的羟基，利用化学合成反应按设计在一定的部位加上第一个设定的带有光敏保护基团的核苷酸，然后继续加上第二、第三个……设定的带有光敏保护基团的核苷酸，直至合成一定长度的寡核苷酸链（探针）。简单地说，就是采用原位合成或显微印刷术，将数以万计的DNA探针分子固定于支持物的表面上，产生的二维DNA探针阵列。

基因芯片应用的三种关键技术：微阵列制作技术探针杂交技术扫描分析处理技术样品及其标记处理→芯片制作→分子杂交→信号检测→数据处理及分析三、基因芯片技术的发展史

1989年，英国科学家Southern申请了有关在固体表面进行DNA杂交的专利。这是有关基因芯片的第一个专利；

1992年，世界上第一块原位合成基因芯片在美国Affymetrix公司诞生；

1995年世界上第一块微矩阵基因芯片在美国斯坦福大学实验室诞生；

1997年，世界上第一张全基因组芯片—酵母芯片完成（斯坦福大学Brown实验室）。它含有6116个基因。四、基因芯片技术的特点基因芯片准确的讲是指DNA芯片，其原理是指利用现代探针固相原位合成技术、照相平板印刷技术、高分子合成技术等微电子技术把大量分子生物学技术（包括探针杂交技术、PCR等）具体而微的固定在一定狭小的空间内，以实现高速度、高通量、集约化和低成本的分析技术。基因芯片的概念现已泛化到生物芯片（biochip）、微阵列（Microarra