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基因芯片技术简介冯永强,基因芯片技术简介冯永强,一、基因分析芯片开发的动力遗传信息迅猛增长 随着人类基因组（测序）计划（Human genome project）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了。,一、基因分析芯片开发的动力,相关学科与技术的高度发展和相互渗透 当代与信息产业相伴随的计算机、精密机械等科学技术是大规模解析基因信息的基础，而基因芯片从实验室走向工业化却是直接得益于探针固相原位合成技术和照相平板印刷技术的有机结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。,相关学科与技术的高度发展和相互渗透,科学的发展人类的进步要求进行大规模基因信息的解析 鉴于基因芯片的多种用途和其远大的发展前景，不少生命科学研究机构和生物技术公司都先后参与了这项技术的研究。据不完全统计目前仅国内就有十多家单位从事该技术的研究与开发工作，全世界估计至少有二三十家。它已象半导体技术一样成为一个重要的产业方向。当前已正被广泛地应用于诸多领域，包括生物医学、临床诊断学和基因组学研究。,科学的发展人类的进步要求进行大规模基因信息的解析,二、基因分析芯片的简要描述 1. 什么是基因芯片 基因芯片指对数以千记的DNA片段同时进行处理分析的技术，诸如基因组DNA突变谱和mRNA表达谱的检测等（Trends in Biotechnology)。 该技术系指将大量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。,二、基因分析芯片的简要描述,2. 基因芯片技术的主要特点 技术操作简单 自动化程度高 序列数量大 检测效率高 应用范围广 成本相对低,2. 基因芯片技术的主要特点,3 基因芯片的主要类型 鉴于信号的获取与解读具有通用性，所以此处不予特别介绍。从点阵的制备方法来分主要有两类：原位合成型与“点膜”型。 原位合成型 指根据预先设计的点阵序列在每个位点通过有机合成的方式直接聚合得到所要求的探针分子。聚合之后芯片片基的制作即告结束。该方法有两类：光引导原位聚合技术与压电打印原位合成技术。,3 基因芯片的主要类型,光引导原位聚合技术的简要过程为：首先使支持物羟基化，并用光敏保护基团将其保护起来，选取择适当的遮光膜（mask）使需要聚合的部位透光，其它部位不透光。这样，光通过遮光膜照射到支持物上，受光部位的羟基去保护，进而与单体分子共价结合。因为合成所用的单体分子一端按传统固相合成方法活化，另一端受光敏保护基的保护，所以发生偶联的部位反应后仍旧带有光敏保护基团。因此，每次通过控制遮光膜的图案（透光与不透光）决定哪些区域应被活化，以及所用单体的种类和反应次序就可以实现在待定位点合成大量预定序列寡聚体的目的。 优点： 合成效率高，点阵密度高 缺点： 设备昂贵，技术复杂，反应产率低,光引导原位聚合技术的简要过程为：首先使支持物,基因芯片技术简介课件,压电打印原位聚合技术 其装置与普通的彩色喷墨打印机并无两样，所用技术也是常规的固相合成方法。即将墨盒中的墨汁分别用四种碱基合成试剂替代，支持物经过包被后，通过计算机控制喷墨打印机将特定种类的试剂喷洒到预定的区域上。冲洗、去保护、偶联等则同于一般的固相原位合成技术。如此类推，可以合成出长度为40到50个碱基的探针。 优点： 设备廉价，技术相对简单，反应产率高 缺点： 点阵密度低，易产生交叉污染,压电打印原位聚合技术 其装置与普通的,“点膜”型 合成工作用传统的DNA固相合成仪完成，只是合成后用特殊的自动化微量点样装置将其以比较高的密度涂布于硝酸纤维膜、尼龙膜或玻片上。支持物应事先进行特定处理，例如包被以带正电荷的多聚赖酸或氨基硅烷，以便能够牢固地结合寡核苷酸分子。该方法是目前大多数中小型公司所采用的方法。 优点：设备廉价，技术简便，研制周期短，灵活性高 缺点：点阵密度低,“点膜”型,从支持物来分主要有：薄膜型如聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等。这种类型“芯片”的点阵是通过“点膜”形式制作的，并通过一定的方法使探针能够牢固地结合于其上，整个过程类似于斑点杂交技术（如CloneTech公司）。玻片型这种芯片的点阵是通过原位合成技术制作的，点阵密度很高，所以必须借助于特殊的仪器对测定结果进行解读和分析。当前具有此类产品研制能力的公司很少（如Affimetrix公司）。,从支持物来分主要有：,微板型这种芯片实质上是一种具有高密度、小容量测试孔的小型酶联免疫检测板（如PE公司等）。,集成电路型 将杂交技术与微电子技术结合于一体有目的地通过电子装置检测或控制DNA等生物大分子的作用过程（如 Nanogen公司）,集成电路型 将杂交技术与微电子技术结合于一,4. 基因芯片研制的总体蓝图,研制方向的确定,基因组序列分析与待检基因探针序列的确定,检测样品 的制备,探针阵列的准备,检测设备的研制,杂交检测与数据分析,4. 基因芯片研制的总体蓝图 研制方向的确定基因组序列分析与,三、基因芯片的主要应用1 基因表达检测 拟南芥、酵母基因表达研究等2 突变检测 BRCA基因外显子11、CFTR基因、-地中海贫血、酵母突变菌株、HIV-1逆转录酶及蛋白酶基因等的突变检测等3 基因组多态性分析 人类基因组单核苷酸多态性的鉴定及分型，人线粒体16.6kb基因组多态性的研究等4 基因文库作图 通过确定重叠克隆的次序从而对酵母基因组进行作图,三、基因芯片的主要应用,5 及杂交测序6 Etc.,5 及杂交测序,
