生物芯片的應(yīng)用簡(jiǎn)介雷安民西北農(nóng)林科技大學(xué).干細(xì)胞研究中心西北農(nóng)林科技大學(xué).動(dòng)物醫(yī)學(xué)院基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響對(duì)基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展的影響DNA測(cè)序：雜交測(cè)序（SBH）；基因表達(dá)分析；基因組研究：作圖、測(cè)序、基因鑒定、基因功能分析；基因診斷：尋找和檢測(cè)與疾病相關(guān)的基因及在RNA水平上檢測(cè)致病基因的表達(dá)；藥物研究與開(kāi)發(fā)。食品衛(wèi)生安全基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響芯片技術(shù)用于基因序列測(cè)定第一代的雜交測(cè)序；第二代的合成測(cè)序-單/四核苷酸循環(huán)；第三代的納米芯片測(cè)序技術(shù)；基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響傳統(tǒng)的基因測(cè)序方法測(cè)序時(shí)分成四個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)，每個(gè)反應(yīng)除上述成分外分別加入2,3-雙脫氧的A,C,G,T核苷三磷酸(稱(chēng)為ddATP,ddCTP,ddGTP,ddTTP),然后進(jìn)行聚合反應(yīng)。在聚合反應(yīng)過(guò)程中，ddNTP和dNTP會(huì)隨機(jī)性的結(jié)合，一旦ddNTP加入了新合成的DNA鏈,由于其3位的羥基變成了氫,不能形成磷酸二酯鍵，所以不能繼續(xù)延伸。由此產(chǎn)生A，T，C，G四組不同長(zhǎng)度的一系列核苷酸，然后在尿素變性的PAGE膠上電泳進(jìn)行檢測(cè)，從而獲得DNA序列?；蛐酒瑢?duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響尿素變性的PAGE電泳膠基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響雜交測(cè)序原理基因芯片的測(cè)序原理是雜交測(cè)序，即通過(guò)與一組已知序列的核苷酸探針進(jìn)行雜交完成核苷酸序列測(cè)定。用圖5-9說(shuō)明測(cè)序原理。在一塊基片表面固定已知序列的八核苷酸探針，當(dāng)溶液中帶有熒光標(biāo)記的核苷酸序列TATGCAATCTAG與基因芯片上對(duì)應(yīng)位置的核酸探針產(chǎn)生互補(bǔ)雜交時(shí)，通過(guò)確定熒光強(qiáng)度最強(qiáng)的探針位置，獲得一組序列完全互補(bǔ)的探針序列，據(jù)此可重組出靶核苷酸待測(cè)序列。DNA芯片測(cè)序技術(shù)包括芯片制備、樣品制備、分子雜交、檢測(cè)分析、序列分析和組裝等過(guò)程。基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響雜交測(cè)序原理示意圖基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響新一代的測(cè)序原理關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)：核苷酸序列的接頭技術(shù)；四種核苷酸的標(biāo)記技術(shù)；接頭與片基的結(jié)合技術(shù)；高通量的電腦分析技術(shù)；高效序列分析拼接軟件；基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響第一步，基因組被打斷為100-200bps的片段基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響每個(gè)片段被接上接頭序列基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響接頭后的片段在片基上固定基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響對(duì)應(yīng)鏈的邊合成邊測(cè)序一個(gè)芯片上，1000，000點(diǎn)樣，一次測(cè)定可以循環(huán)30次；耗時(shí)5個(gè)小時(shí)；從理論上講，5個(gè)小時(shí)可以完成30,000,000個(gè)堿基的測(cè)序量;工作人員一天就可以完成60,000,000個(gè)堿基的測(cè)序量;從理論上講,50個(gè)工作日就可以完成一個(gè)人的全基因基因測(cè)序任務(wù)?；蛐酒瑢?duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響該方法的優(yōu)勢(shì)：

1.

高通量：一輪反應(yīng)可產(chǎn)生大于1Gb的數(shù)據(jù)；

2.

快速：產(chǎn)生1Gb數(shù)據(jù)的時(shí)間約為3天；

3.

成本低廉：每測(cè)量100

萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)所需成本

3美元；基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響兩代測(cè)序方法，測(cè)序序列都是在熒光或者化學(xué)發(fā)光物質(zhì)的協(xié)助下，通過(guò)讀取DNA聚合酶或DNA連接酶將堿基連接到DNA鏈上過(guò)程中釋放出的光學(xué)信號(hào)而間接確定的，除了需要昂貴的光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),還要記錄、存儲(chǔ)并分析大量的光學(xué)圖像，這都使儀器的復(fù)雜性和成本增加，依賴(lài)生物化學(xué)反應(yīng)讀取堿基序列更增加了試劑、耗材的使用?；蛐酒瑢?duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響新型納米孔測(cè)序法（nanoporesequencing）是采用電泳技術(shù)，借助電泳驅(qū)動(dòng)單個(gè)分子逐一通過(guò)納米孔來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)序的。由于納米孔的直徑非常細(xì)小，僅允許單個(gè)核酸聚合物通過(guò)，因而可以在此基礎(chǔ)上使用多種方法來(lái)進(jìn)行高通量檢測(cè)。此外，納米級(jí)別的孔徑保證了檢測(cè)具有良好的持續(xù)性，所以測(cè)序的準(zhǔn)確度非常高。對(duì)于長(zhǎng)達(dá)1,000個(gè)堿基的單鏈DNA分子、RNA分子或者更短的核酸分子而言，根本無(wú)需進(jìn)行擴(kuò)增或標(biāo)記就可以使用納米孔測(cè)序法進(jìn)行檢測(cè)，這使得便宜、快速地進(jìn)行DNA測(cè)序成為可能。如果對(duì)現(xiàn)有納米孔測(cè)序法進(jìn)行進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，那么它將有望成為第三代測(cè)序技術(shù)（也可稱(chēng)為下、下一代測(cè)序技術(shù)），從而幫助人們實(shí)現(xiàn)24小時(shí)內(nèi)只花費(fèi)1,000美元完成二倍體哺乳動(dòng)物基因組測(cè)序這一目標(biāo)?；蛐酒瑢?duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響2008年開(kāi)始的第三代測(cè)序技術(shù)則是基于納米孔的單分子讀取技術(shù)，這種方法讀取數(shù)據(jù)更快、有望大大降低測(cè)序成本，改變個(gè)人醫(yī)療的前景。第三代測(cè)序技術(shù)的基本原理是在納米孔中配置納米電極，用電測(cè)方法測(cè)量一個(gè)DNA的核酸堿基排列。但是電測(cè)識(shí)別一個(gè)分子的技術(shù)開(kāi)發(fā)極其困難，因此尚未有驗(yàn)證該原理的實(shí)例?？椎赖鞍祝菏墙瘘S色葡萄球菌α溶血素；納米孔道的電位測(cè)量；基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響基因表達(dá)譜芯片的應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)上也最成熟。這種芯片可以檢測(cè)整個(gè)基因組范圍的眾多基因在mRNA表達(dá)水平的變化。它能對(duì)來(lái)源于不同個(gè)體、不同組織、不同細(xì)胞周期、不同發(fā)育階段、不同分化階段、不同生理病理、不同刺激條件下的組織細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)情況進(jìn)行對(duì)比分析。從而對(duì)基因群在個(gè)體特異性、組織特異性、發(fā)育特異性、分化特異性、疾病特異性、刺激特異性的變化特征和規(guī)律進(jìn)行描述，表達(dá)譜芯片的應(yīng)用基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響進(jìn)一步闡明基因的相互協(xié)同、抑制、互為因果等關(guān)系。有助于理解基因及其編碼的蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能，并從已知生物學(xué)功能的基因推論未報(bào)道基因的生物學(xué)意義。同時(shí)，還可在基因水平上解釋疾病的發(fā)病機(jī)理，為疾病診斷、藥效跟蹤、用藥選擇等提供有效手段。急性白血病、黑色素瘤、卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌、肝癌等表達(dá)譜芯片的研究?；蛐酒瑢?duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響基因芯片的優(yōu)點(diǎn)：高通量大規(guī)模高度平行性快速高效高靈敏度高度自動(dòng)化基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響組織芯片不同的癌組織芯片；病理組織切片；不同器官來(lái)源組織芯片；基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響蛋白質(zhì)芯片,又稱(chēng)蛋白質(zhì)陣列或蛋白質(zhì)微陣列，是指以蛋白質(zhì)分子作為配基,將其有序地固定在固相載體的表面形成微陣列；用標(biāo)記了熒光的蛋白質(zhì)或其他它分子與之作用，洗去未結(jié)合的成分，經(jīng)熒光掃描等檢測(cè)方式測(cè)定芯片上各點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，來(lái)分析蛋白之間或蛋白與其它分子之間的相互作用關(guān)系。蛋白芯片(proteinchip)基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響研究蛋白質(zhì)芯片的意義蛋白質(zhì)是基因表達(dá)的最終產(chǎn)物，接近生命活動(dòng)的物質(zhì)層面；探針蛋白特異性高、親和力強(qiáng)，可簡(jiǎn)化樣品前處理，甚至可直接利用生物材料(血樣、尿樣、細(xì)胞及組織等)進(jìn)行檢測(cè)；適合高通量篩選與靶蛋白作用的化合物；有助于了解藥物或毒物與其效應(yīng)相關(guān)蛋白質(zhì)的相互作用?；蛐酒瑢?duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響蛋白質(zhì)檢測(cè)芯片

蛋白質(zhì)功能芯片

蛋白質(zhì)芯片的分類(lèi)基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響蛋白質(zhì)芯片的制備固相載體及其處理載體（滴定板、濾膜、凝膠、載玻片）蛋白質(zhì)的預(yù)處理選擇具有較高純度和完好生物活性的蛋白進(jìn)行溶解點(diǎn)制微陣列可使用點(diǎn)制基因微陣列的商品化點(diǎn)樣儀或噴墨法等固定微陣列上的蛋白樣點(diǎn)膜為載體：芯片放入濕盒，37°C1h載玻片為載體：化學(xué)修飾產(chǎn)生醛基固定蛋白微陣列的封閉主要封閉試劑：BSA或Gly基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)探針標(biāo)記檢測(cè)法無(wú)探針標(biāo)記檢測(cè)法表面增強(qiáng)激光解吸離子化技術(shù)(Surfaceenhancedlaserdesorption/ionization,SELDI)表面等離子體共振檢測(cè)技術(shù)

（surfaceplasmonresonance,SPR）原子力顯微鏡檢測(cè)技術(shù)（atomicforcemicroscope,AFM）同位素標(biāo)記檢測(cè)熒光標(biāo)記檢測(cè)化學(xué)發(fā)光檢測(cè)酶免疫標(biāo)記檢測(cè)膠體金標(biāo)記檢測(cè)基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響蛋白質(zhì)芯片的應(yīng)用疾病診斷和預(yù)警藥物開(kāi)發(fā)

蛋白質(zhì)組學(xué)基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響定量檢測(cè)組織提取液中的腫瘤標(biāo)記物孵育后的微陣列熒光圖

A含抗原B無(wú)抗原微陣列方法與ELISA方法檢出結(jié)果比較疾病診斷uPA尿激酶型纖溶酶原激活因子PAI-1血漿纖溶酶原激活因子抑制因子VEGF血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響高通量篩選蛋白-蛋白作用抑制劑藥物開(kāi)發(fā)A1500個(gè)點(diǎn)陣的微陣列B局部點(diǎn)陣放大圖及SPR信號(hào)His6-RB/GST-E7相互作用抑制劑篩選微陣列圖加入His6-RB加入含PepC抑制劑的His6-RB基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響（1）疾病的蛋白質(zhì)組研究通過(guò)比較正常與病理?xiàng)l件下細(xì)胞或組織中蛋白質(zhì)在表達(dá)量上的差異，可以發(fā)現(xiàn)與病理改變有關(guān)的蛋白質(zhì)和疾病特異性蛋白。作為疾病診斷的生物標(biāo)志物，認(rèn)識(shí)發(fā)病機(jī)制，為早期診斷治療和預(yù)防提供線(xiàn)索，對(duì)疾病進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。對(duì)腫瘤特異性生物標(biāo)志物的檢測(cè)；在糖尿病及心血管疾病方面的應(yīng)用；對(duì)類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎生物標(biāo)志分子的檢測(cè)；對(duì)人類(lèi)細(xì)胞因子和趨化因子的測(cè)定和定量分析。蛋白質(zhì)芯片在蛋白質(zhì)組學(xué)中的應(yīng)用基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響（2）病原微生物的蛋白質(zhì)組研究病原微生物蛋白質(zhì)組研究對(duì)于闡明感染性疾病的發(fā)病機(jī)制，實(shí)現(xiàn)有效的預(yù)防，早期診斷和治療，制備新的藥物等方面有著重要意義。（3）在藥物開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用在病理狀態(tài)下表達(dá)異?；蛱禺愋员磉_(dá)的蛋白質(zhì)，以及細(xì)胞信號(hào)傳遞通路中的關(guān)鍵性蛋白質(zhì)，都可能成為藥物設(shè)計(jì)的靶分子。（4）毒理學(xué)分析通過(guò)發(fā)生損傷的組織器官與正常組織器官之間的蛋白質(zhì)組比較，有助于闡明藥物毒副作用的發(fā)生機(jī)制。蛋白質(zhì)芯片在蛋白質(zhì)組學(xué)中的應(yīng)用基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響

人動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞蛋白譜蛋白質(zhì)組學(xué)揭示了oxidizedlowdensitylipoprotein誘導(dǎo)人動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞的作用模式細(xì)胞經(jīng)oxidizedlowdensitylipoprotein作用后的蛋白譜檢出298個(gè)蛋白54個(gè)蛋白表達(dá)量發(fā)生變化4.7%

抗原（一組細(xì)胞-細(xì)胞間相互作用分子）表達(dá)上調(diào)；

13.4%抗原（結(jié)構(gòu)蛋白，體液響應(yīng)蛋白）表達(dá)下降基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響存在的問(wèn)題成本過(guò)高，需一系列昂貴的尖端儀器

芯片的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題

提高芯片的特異性、簡(jiǎn)化樣品制備和標(biāo)記操作程序、增加信號(hào)檢測(cè)的靈敏度和消除芯片背景對(duì)于結(jié)果分析的影響等等基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響染色質(zhì)免疫沉淀芯片（Chip-Chip）

ChiP-on-chip是染色體免疫共沉淀與芯片技術(shù)的結(jié)合，用于分析在活體細(xì)胞中調(diào)節(jié)蛋白與基因組DNA之間的相互作用。該技術(shù)能夠快速在目標(biāo)基因組的染色體中確定特異DNA結(jié)合蛋白的準(zhǔn)確結(jié)合位點(diǎn)，ChIP芯片也可以在一個(gè)基因組的任何感興趣的區(qū)域內(nèi)尋找染色體的結(jié)構(gòu)改變。一、ChIP-Chip的用途（1）在基因組范圍內(nèi)確定基因轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合位點(diǎn)和其他DNA結(jié)合蛋白或蛋白復(fù)合體的DNA結(jié)合位點(diǎn)。（2）染色體活性狀態(tài)的定量分析。（3）組蛋白修飾的功能研究。通過(guò)用?；蚣谆慕M蛋白的特異抗體和沒(méi)有進(jìn)行修飾的組蛋白的特異抗體，可以確定與組蛋白修飾有關(guān)的結(jié)合模式的變化。（4）聚合酶活性的定量分析。（5）精煉生物信息方法，用功能數(shù)據(jù)來(lái)確定啟動(dòng)子的位置?；蛐酒瑢?duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響交聯(lián)與裂解細(xì)胞超聲破碎免疫共沉淀測(cè)序得到序列信息與基因組信息比對(duì)基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響ChIP-on-chip技術(shù)能為一些重要機(jī)制的研究提供線(xiàn)索，包括DNA復(fù)制、修飾、修復(fù)，更重要的還有甲基化以及組蛋白修飾等等；還能幫助我們更好的理解一些疾病的發(fā)生機(jī)理比如糖尿病、白血病、乳腺癌等。除此之外，ChIP-on-chip技術(shù)也已在一些至關(guān)重要的生命過(guò)程中為我們提供了重要的線(xiàn)索，包括細(xì)胞增殖、細(xì)胞分化、癌癥發(fā)生、細(xì)胞周期、細(xì)胞凋亡以及神經(jīng)生成等過(guò)程。研究基因啟動(dòng)子部位組蛋白的甲基化乙酰化或磷酸化水平改變；研究基因啟動(dòng)子部位DNA甲基化水平改變研究轉(zhuǎn)錄因子與其結(jié)合的所有基因啟動(dòng)子DNA基因芯片對(duì)生物學(xué)研究進(jìn)展的影響GeneChip-TilingArray技術(shù)簡(jiǎn)介Affymetrix公司于2006年1月24日宣布推出GeneChip（R）人類(lèi)和鼠源嵌合芯片（TilingA，ray）系列產(chǎn)品。該系列芯片研究范圍大大超出已知編碼蛋