浅谈对基因芯片的认识

23 湖北生态工程职业技术学院学报 JOURNAL OF HUBEI ECOLOGY VOCATIONAL COLLEGE 2006年第 3期 第 4卷 第 3期 Vol.4 No. 3 收稿日期：2006-06-29 作者简介：何利华（1980-），女，主要从生物技术教学与研究工作。 浅谈对基因芯片的认识 何利华 （湖北生态工程职业技术学院，湖北武汉 430200） [摘 要]基因芯片就是按特定的排列方式固定有大量基因探针、基因片段的硅片、玻片、塑料片。基因芯片技术 是高效地大规模获取相关生物信息的主要手段。目前，该技术应用领域主要有基因表达、突变检测、基因组 多态性分析、基因文库作图、杂交测序等。九十年代初以美国为主开始进行的各种生物芯片的研制，将近十年的 功夫，芯片技术得以迅速发展，并呈现发展高峰。 [关键词] 基因芯片；基因；应用 [中图分类号] Q343.1 [文献标识码] C [文章编号] 0000-2157/SG（2006）03-0023-03 基因（gene）是载有生物体遗传信息的基本单位，存 在于细胞的染色体(chromosome)上。将大量的基因片 段有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上， 称之为基因芯片（又称 DNA芯片、生物芯片）。在一块 1平方厘米大小的基因芯片上，根据需要可固定数以千 计甚至万计的基因片段，以此形成一个密集的基因方 阵，实现对千万个基因的同步检测。 基因芯片与计算机芯片一样，具有超微化、高度集 成、信息贮存量大等特点，所不同的是，计算机芯片采 用的是半导体集成电路，而基因芯片是以基因片段作 为“探针(probe)”进行工作。所谓“探针”，是利用碱基配 对的原理检测基因的一种技术。以前的基因检测技术 均只有一个探针，一次只能找到一种基因。而基因芯 片突出的优点是能在庞大的基因库中，一次发现众多 的异常基因，从而实现快速多样化检测 。并且解决了 传统核酸印迹杂交（Southern Blotting 和 Northern Blotting等）技术操作繁杂、自动化程度低、操作序列数 量少、检测效率低等不足。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、实变检测、多态性分 析、基因组文库作图及杂交测序等。 一、基因芯片合成的主要方法 目前已有多种方法可以将基因片段（寡核苷酸或 短肽）固定到固相支持物上。这些方法总体上有两种： （一）原位合成（in situ synthesis）：原位合成法主要 为光引导聚合技术（Light-directed synthesis），它不仅可 用于寡聚核苷酸的合成，也可用于合成寡肽分子。光 引导聚合技术是照相平板印刷技术（photolithography） 与传统的核酸、多肽固相合成技术相结合的产物。半 导体技术中曾使用照相平板技术法在半导体硅片上制 作微型电子线路。固相合成技术是当前多肽、核酸人 工合成中普遍使用的方法，技术成熟且已实现自动化。 二者的结合为合成高密度核酸探针及短肽阵列提供了 一条快捷的途径。作原位合成的支持物在聚合反应前 要先使其表面衍生出羟基或氨基（视所要固定的分子 为核酸或寡肽而定）并与保护基建立共价连接； （二）点样合成：此方法在多聚物的设计方面与原 位合成相似，合成工作用传统的DNA或多肽固相合成 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。作点样用的支持物为使其表面带上正电荷以吸附 带负电荷的探针分子，通常需包被以氨基硅烷或多聚 赖氨酸等。 固相支持物有多种：如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝 酸纤维素膜、尼龙膜等，但需经特殊处理。 二、基因芯片的主要应用 基因芯片可同时、快速、准确地分析数以千计基因 组信息的本领而显示出了巨大的威力。 24 它应用主要包括： （一）基因表达检测：基因表达的检测影响到从基 础生物学研究到药物研发和临床诊断的一系列领域。 研究基因表达最强大的工具就是基因芯片。 （二）突变检测：基因芯片是已知顺序的寡核苷酸 DNA被排列在一块集成电路板上,彼此之间重叠一个 碱基, 并覆盖整个所需检测的基因, 荧光标记的正常 DNA和突变DNA分别与两块基因芯片杂交,由于至少 存在一个碱基的差异, 正常 DNA和突变 DNA将会得 到不同的杂交图谱, 通过共聚焦显微镜分别检测两种 DNA分子产生的荧光信号即可确定是否存在突变。 （三）基因组多态性分析：包括人类基因组单核苷 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。 （四）基因文库作图：基因芯片对基因文库中的每 一克隆，均可检测出一批特征性序列标志物，而每一对 克隆中，在标志物之间相似性基础上，测量其相对重迭 部分，利用该重迭信息，即可连续性地将文库排列成重 叠群图谱。 （五）杂交测序：基因芯片杂交测序技术和邻堆杂 交技术都是一种新的高效快速测序方法。基因芯片技 术的效率随着微阵列中寡核苷酸数量与长度的增加而 提高，但微阵列中寡核苷酸数量与长度的增加则提高 了微阵列的复杂性，降低了杂交准确性。邻堆杂交技 术弥补了基因芯片杂交技术存在的弊端，邻堆杂交技 术的应用增加了微阵列中寡核苷酸的有效长度，加强 了序列准确性，可进行较长的 DNA测序。 三、基因芯片面临的困难 1998年底，美国科学促进会将基因芯片技术列为 1998 年度自然科学领域十大进展之一。 尽管基因芯 片技术已经取得了长足的发展，得到世人的瞩目，但仍 然存在着许多难以解决的问题。这些问题主要表现在： （一）样品的制备 在标记和测定前都要对样品进行一定程度的扩增 以便提高检测的灵敏度。扩增方法有大家比较熟悉的 固相 PCR扩增体系以及大量并行固相克隆方法，两种 方法各有优缺点，但目前尚未取得实际应用。 （二）探针合成与固定 探针的合成与固定比较复杂，特别是对于制作高 密度的探针阵列。使用光导聚合技术每步产率不高， 难以保证好的聚合效果。应运而生的其它很多方法， 如压电打压、微量喷涂等多项技术，虽然技术难度较低 方法也比较灵活，但存在的问题是难以形成高密度的 探针阵列，所以只能在较小规模上使用。最近我国学 者已成功地将分子印章技术应用于探针的原位合成而 且取得了比较满意的结果。 （三）分子的标记 目标分子的标记也是一个重要的限速步骤，如何 简化或绕过这一步现在仍然是个问题。目标分子与探 针的杂交会出现一些问题：首先，由于杂交位于固相表 面，所以有一定程度的空间阻碍作用，有必要设法减小 这种不利因素的影响。 （四）数据的读取与分析 信号的获取与分析上，当前多数方法使用荧光法 进行检测和分析，重复性较好，但灵敏不高。正在发展 的方法有多种，如质谱法、化学发光法等。 四、国内外基因芯片研制情况 鉴于基因芯片所显示的巨大潜力和诱人的前景， 目前世界上许多国家和地区已相继开展基因芯片的研 制和开发工作。尤其在美国，已掀起了自人类基因组 以来的第二次热潮。1998年 6月 29日，美国政府 正式宣布启动基因芯片计划，联合私人投资机构投入 了 20亿美元以上的研究经费。许多政府机构如 NIH （美国国立卫生研究院）、DOE（美国能源部）、商物部、 司法部、国防部和中央情报局等参与了此项目，同时斯 坦福大学、麻省理工学院及阿贡、橡树岭等国家实验室 也参与了该项目的开发和研究。美国 Affymetrix公司 已开发出供判断是否携带艾滋病毒的逆转录酶基因 HIV芯片；确定有无癌症可能的 p53基因芯片以及诊 断药物代谢缺乏症的细胞色素 p450 芯片也均在美国 用于临床。 英国剑桥大学、欧亚公司也正在从事该领域的研 究。一些具有实力的国外大型制药公司也希望能推进 基因芯片技术的实际应用，尤其对基因芯片技术用于 基因多态性、疾病相关性、基因药物开发和合成或天然 药物筛选等领域感兴趣，相继投入巨资开发基因芯片 技术和相应的设备。 基因芯片研究在我国也已起步并捷报频传。复旦 大学、中科院上海冶金所、中科院上海细胞所、军事医 学科学院、清华大学等一些科研院所和大学已着手进 行基因芯片的研究和开发。上海东方肝胆外科医院信 号传递研究中心和中科院上海细胞所开展的有关肝癌 检测基因芯片的研究已有可喜势头。上海博道基因技 术有限公司首次在国内建立以玻璃为载体，以双荧光 检测为特点的 BioDoor Chip 技术，在国际上道次将 4000条新基因共计 8000个点制作成以玻璃为载体的 第 4卷 第 3期浅谈对基因芯片的认识 25 基因表达谱芯片，并已研制成功多种遗传病产前诊断 芯片，肿瘤基因分析芯片的开发也已近完成。此外，由 他们率先研制的用于检测丙型、乙型肝炎病毒的基因 芯片，达到了国际先进水平。 21世纪是生命科学的世纪，也是信息科学的世纪。 可以预言，作为集两者之大成的基因芯片，随着产业化 规模的形成以及在医学领域的广泛渗透，势必对现有 的医疗模式产生深刻影响，造福于人类。 Preliminary Study on Gene Chips HE Li-hua (Hubei Ecology Vocational College, Wuhan 430200, China) Abstract：Gene chips are silicon slices, glass slide, and plastic plate arranged in particular orders fixed with quantity of gene probes, gene fragments. The gene chip technology is the main means to obtain corresponding biological information effectively. Biochips were developed primarily by Americans in early nineties and the development reached a climax in late nineties. Presently, the main application domain of the technology includes gene expression detection, mutation de- tection, genome polymorphism analysis, gene library mapping and hybridization sequencing. Key words：gene chip; gene; application （上接第 22页） 3.4 加强信息沟通和组织协调工作 监理工程师应强加与业主单位、设计单位、路基路 面施工单位、交通安全设施施工单位、各绿化单位保持 信息沟通，积极协调各方矛盾，保证工程顺利进行。 结束语：经过十余年的高速公路的绿化生态恢复 工程实践，我国高速公路生态恢复工程监理工作也取 得了显著的成果：观念在不断的进步，技术在不断的更 新，新产品在不断的涌现，管理水平在不断的提高，高 速公路的建设者们正在为提高工程质量、保护公路路 域的生态环境，创造良好的行车环境作积极的探索，本 文从监理的角度对高速公路生态恢复中的一些绿化问 题提出了一些看法和建议，希望能对高速公路的生态 恢复建设有所裨益。 参考文献： [1]刘建新．监理概论[M]．人民交通出版社．1999．9. [2]高速公路丛书编委会．高速公路环境保护与绿化 [M]．人民交通出版社．2003．3 . Preliminary Study on Supervision of Greening Construction on Express Highway TAN Qi (Jiangsu Dongnan Consultation & Supervision Ltd of Traffic Engineering, Nanking 210018, China) Abstract：From the experience of supervision of express highway greening projects, ecological restoration and environ- mental improvement works in the engineering construction, pragmatic methods are extracted and introduced to guide the practice. Key words：express highway; greening; ecological restoration; supervision 第 4卷 第 3期 浅谈对基因芯片的认识