7 基因芯片

扬州大学医学院医学遗传学教研室武辉生物芯片及其应用生物芯片(Biochips)生物芯片是将大量生物识别分子按预先设置的排列固定于一种载体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面，利用生物分子的特意性亲和反应，如核酸杂交反应，抗原抗体反应等来分子各种生物分子存在的量的一种技术。生物芯片的分类生物芯片的分类•根据用途还可以把生物芯片分为两类：信息生物芯片（information-biochip）功能生物芯片（function-biochip）。生物芯片阵列型仪器型化合物药物核酸多肽蛋白质受体细胞细胞器病毒微小组织样品筛选浓缩放大毛细管电泳电介质电泳色谱质谱微型光谱仪芯片实验室基因芯片(Genechip)什么是基因组(Genome)•基因组就是一个物种中所有基因的整体组成•人类基因组有两层意义：——遗传信息——遗传物质•从整体水平研究基因的存在、基因的结构与功能、基因之间的相互关系。人类染色体人类单倍体基因组含30亿碱基对(bp)的DNA序列。编码序列约占3%，非编码序列约占97%。包括约4～10万个基因，分布于22条常染色体和X、Y性染色体。功能基因组学•基因组DNA测序：人类对自身基因组认识的第一步。•功能基因组学：从基因组信息与外界环境相互作用的高度，阐明基因组的功能。•功能基因组学的研究内容：–人类基因组DNA序列变异性研究–基因组表达调控的研究–模式生物体的研究–生物信息学基因组表达及调控的研究•在全细胞的水平，识别所有基因组表达产物：–mRNA：cDNA阵列–蛋白质：二维电泳—质谱•研究生物大分子相互作用：阐明基因组表达在发育过程中的时、空的整体调控网络。•蛋白质组学：高通量解析蛋白质的高级结构，是连接基因组功能研究和新药开发的桥梁。基因芯片的产生背景•传统技术的不断改进•基因信息分析规模不断扩大-人类基因组计划的需求（HumanGenomeProgram)-后基因组时代的需求基因芯片发展历史Southern&NorthernBlotDotBlotMacroarrayMicroarray基因芯片技术是通过微阵列技术,将高密度DNA片段阵列通过高速机器人或原位合成方式以一定的顺序或排列方式使其附着在如玻璃片等固相表面，以荧光标记的DNA探针，借助碱基互补杂交原理，进行大量的基因表达及监测等方面研究的最新革命性技术。微阵列技术巨大优势在于它可以并行地宏量获取生物信息，借助此技术发展的生物芯片则提供了以核酸杂交为基础的基因水平的表达监控，多态性研究和Genotyping。从而使我们对基因表达调控有更深入的了解。基因芯片的工作原理与经典的核酸分子杂交方法是一致的，都是应用已知核酸序列作为探针与互补的靶核苷酸序列杂交，通过随后的信号检测进行定性与定量分析。基因芯片是在一微小的基片（硅片、玻片、塑料片等）表面集成了大量的分子识别探针，能够在同一时间内平行分析大量的基因，进行大信息量的筛选与检测分析。基因芯片主要技术流程包括：芯片的设计与制备；靶基因的标记；芯片杂交与杂交信号检测。1992年世界第一块原位合成基因芯片在美国Affymetrix诞生1995年世界第一块微矩阵基因芯片在Stanford大学实验室诞生--Science.1995,270:467-470基因芯片的历史八十年代末期俄美科学家提出杂交法测序芯片常用制备方法的比较•原位合成–高密度（可达40万点/1.6平方厘米）–25bp–DNA–测序分析，寻找点突变•微量点样（针点、喷墨〕–较高密度（可达10万点/6.5平方厘米）–500~5000bp–DNA、抗体抗原、受体药物等–对比分析DNA芯片•cDNA芯片：通过PCR方法制备探针，然后用芯片点样仪把探针点在芯片基质载体上。不要求知道DNA序列。•寡核苷酸芯片：通过在芯片上原位合成；或者先合成寡核苷酸探针，再用芯片点样仪把探针点在芯片载体上。要求DNA的序列已知。特异性好。Commercialchip•Human•Rat•Mouse•Drosophila•E.coli•Yeast•ZebrafishSpottermachineSpotterstageSpotterheadSpotterpinHome-madechip基因芯片技术流程制备方法及点样仪器•探针的制备：标记方法•杂交：杂交液、杂交温度、洗涤条件的选择扫描仪:激光CCD分析软件的开发基因芯片的制备杂交检测数据分析BasicprocedureOperationflowchartChipimageanalysissignal0100002000030000400005000060000700001234567891011datameasurementreaction对照样品测试样品RNA核酸提取cDNA核酸标记提纯芯片杂交靶分子正常细胞和癌细胞野生型和敲除型野生型和激活型条件1和条件2：营养、刺激、药物等等……点样制片芯片扫描图像分析信息分析DNA微阵列实验体系二、制备样本核酸探针1、样本总RNA的抽提：异硫氰酸胍2、mRNA的分离与纯化：oligo－dT3、反转录并标记随机引物法逆转录标记物：同位素、荧光染料(cy3-绿色/cy5－红色)、化学发光三、杂交实验条件•杂交杂交体积(使核酸浓度增加10万倍）玻片:2-200l滤膜：5-50ml杂交液和杂交液的组份杂交温度、时间•洗涤洗涤液的组成洗涤的温度、时间四、杂交信号的检测1、激光共聚焦扫描光源：特定波长的光激发面积：100m2ScanArray30002、CCD成像术光源：连续波长的光（如弧光灯）激发面积：同时激发多个1cm2五、芯片数据的处理和分析–图像的处理–数据的获取、存储与显示–芯片数据统一化–芯片数据的统计学分析–芯片数据的生物学分析–特定基因检测–突变检测–多态性分析–基因表达谱基因芯片的应用•生物信息学的工具•基因相关性研究•基因功能•药物设计和开发•潜在反义试剂开发•个体化医疗•身份识别•基因诊断•其他与生物有关的领域蛋白质组学和结构基因组学高通量药物筛选药物设计和小分子设计生物芯片计算机辅助药物筛选高通量虚拟筛选方法蛋白质－蛋白质相互作用识别，信号传导系统、代谢途径的分子模拟，蛋白质折叠和构象变化的长时分子动力学模拟...基因组信息…生物信息计算机辅助先导化合物设计、药物设计Thanks