基因芯片及其研究进展

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 卷第 期 犯 年 月 黑龙江畜牧兽医职业学院学报 , 崛 犯 基 因 芯 片 及 其 研 究 进 展 耿明杰 郑翠芝 黑龙江畜牧兽医职业学院 黑龙江 双城 摘 要 基因芯片是国际上 世纪 卯年代发展起来的一项顶尖技术 , 它是固体芯片面构建微流体单元和系统 , 以 实现对细胞 、蛋白质 、核酸以及其它生物组分大信息的检测 。 高密度的基因芯片能够在同一时间内分析大量的基因 , 从而准确破译遗传密码 。 本文参阅了大量文献资料 , 对基因芯片的过程及研究现状进行了综述 。 关键词 基因 芯片 研究 进展 基因芯片 又称 芯片 , 是指将大量 探针分子固定于支持物上 , 然后与标记的样品进行杂 交 , 通过杂交信号的强弱判断靶分子的数量 。 用该技 术可将大量的探针同时固定于支持物上 , 所以一次可 对大量核酸分子进行检测分析 , 从而解决了传统核酸 印迹杂交技术操作复杂 、 自动化程度低 、检测 目的分 子数量少 、效率低等不足 。 它能在同一时间内分析大 量的基因 , 使人们准确高效地破译遗传密码 。 这将是 继大规模集成电路后又一次意义深远的科技革命 。 基因芯片的特点 并行性 高度的并行性不仅大大提高实验的进 程 , 并且有利于 芯片技术所展示图谱的快速对 照和阅读 。 多样性 是指在单个芯片中可以进行样品的多 方面分析 , 从而大大提高分析的精确性 , 避免因不同 实验水平产生误差 。 微化性 是当前芯片制造中普遍的趋势 。 其好 处是可以减少试剂用量和反应液体积 , 从而提高样品 浓度和反应速率 。 芯片技术的基本过程 基因芯片技术包括四个基本过程 , 即 方阵 的构建 、样品制备 、杂交及杂交图谱的检测读出 。 方阵的构建 载体的选择 载体必须符合以下条件 载体 表面必须具有可以进行化学反应的活性基团 , 以便与 分子进行偶联 载体应是惰性的 、具有足够的稳 定性 有良好的化学性质 , 能适应透射光或反射光的 测量 。 载体材料 基因芯片以其片基的不同可以分 为无机片基和有机合成物片基 。 前者主要包括半导 体硅片和玻璃片 , 其上的探针主要以原位聚合的方法 合成 后者主要有特定孔径硝酸纤维膜和尼龙膜 , 其 上的探针主要是预先合成后通过特殊的微量点样装 置或仪器滴加到片基上去 。 现主要采用玻璃片 , 表面经基用 一 二乙氧基 氨丙基三乙氧基硅烷作表面处理 , 琉基标记的生物分 子通过异型双官能团分子直接和玻璃表面氨基结合 , 从而通过共价键固化在玻璃上 。 样品制备 光刻 合成法制备 芯片的水银光有 选择地照射在有光掩蔽剂保护的玻璃上 , 以去掉玻璃 上的光敏基团 , 从而激活 合成过程 。 先去掉光 敏基团特定部位偶联的一个光保护碱基 , 再将第二个 光掩蔽剂置于这个保护的碱基上 , 不断地去保护和偶 联 , 使合成的链延长 。 这种方法合成的密度和精度 高 , 能在 矽 面积上合成 万组寡核甘酸 。 点样 现生产企业多采用点接触法和喷墨 法 。 点接触法 针头与芯片接触 , 几己可点样 个探针 , 探针密度较高 。 但定量准确性及重现 性不好 , 并且点样针易堵塞 , 使用寿命有限 。 喷墨法 针头与芯片保持一定距离 , 定量 准确 , 重现性好 , 使用寿命长 。 但喷印的斑点大 , 探针 密度低 , 通常 耳己只有 粼叉〕点 。 方阵构建分子的选择 测序 、分析等位基因 和检测点突变 , 采用 个碱基长度的 。 检测转 录水平 , 则采用更长的 。 杂交 杂交条件的选择 ‘ 杂交条件的选择与芯片中 片段的长度和芯片本身的用途有关 。 检测表达 需高盐浓度、低温和长时间 , 往往要求 过夜 , 严谨性要求比较低 。 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 卷第 期 耿明杰 基因芯片及其研究进展 , 检测突变 要求在短时间内 几小时 , 低温 、高浓 度条件下高严谨性杂交 。 影响杂交的因素很多 , 其中 传阻因素的影响尤其重要 。 合适长度的 片段可 有利于探针与之杂交 。 分子中任何带有正负电 的残基都会影响杂交效率 。 另外 , 在有利杂交双链形 成的条件下 , 探针与分子本身也有利于形成本身双链 的二级结构甚至三级结构 , 使靶序列不易被探测到 。 解决杂交中诸多问题的最好方法就是用 代替 制成芯片 。 杂交图谱的检测与读出 荧光标记法一扫描同焦显微镜检测 目前 , 探针大多采用荧光标记法 , 并根据杂交点的荧 光信号强弱用扫描同焦显微镜读出 。 其优点是重现 性好 , 缺点是灵感性相对较低 。 质谱法 可以在各 方阵点上提供更多 、 更快 、更精确的信息以供读出 。 用质谱法不仅可以准 确地判断是否存在基因突变 , 还可以精确地判断它位 于序列的哪一位置上 。 不过由于在探针的化学合成 上还存在一定问题 , 质谱法不如荧光法用得普遍 。 芯片的研究进展 基因芯片用途广泛 , 在生命科学研究及实践 、 医 学科研及临床 、药物设计 、环境保护 、农业 、军事等各 个领域有着广泛的用武之地 。 这些无疑将会产生巨 大的社会和经济效益 。 有着广泛的经济 、社会及科研 前景 。 因此 , 国际上一些著名的政治家 , 投资者和科 学家均看好这一技术前景 。 认为基因芯片以及相关 产品产值有可能超过微电子芯片 , 成为下一世纪最 大的高技术产业 , 具有巨大的商业潜力 。 基因芯片可为研究不同层次多基因协同作用提 供手段 。 这将在研究人类重大疾病的相关基因及作 用机理等方面发挥巨大的作用 。 人类许多常见病如 肿瘤 、心血管病 、神经系统退化性疾病 、 自身免疫性疾 病及代谢性疾病等均与基因有密切的关系 。 生物芯片能为现代医学发展提供强有力的手段 , 促进医学从“ 系统 、血管 、组织和细胞层次 ,’第二阶段 医学 向“ 、 、蛋白质及其相互作用层次 ” 第 三阶段医学 过渡 , 使之尽快进人实际应用 。 医疗保健业 在婴儿出生前 , 可用生物芯片进 行有效的产前筛查和诊断 , 防止患有先天性疾病的婴 儿出生 。 而在婴儿出生后 , 即可采用基因芯片技术来 分析其基因图谱 , 不仅可预测出他 日后可以长多高 , 还可预测其患心脏病或糖尿病等疾病的潜在可能性 有多大 , 以便采取预防措施 。 医学诊断及治疗 生物芯片在治疗方面也发挥 巨大作用 , 可帮助医生及患者从 “ 系统 、血管 、组织和 细胞层次 ”转变到 “ 、 、蛋白质及其相互作用 层次 ”上了解疾病的发生 、发展过程 , 以便采取预防及 治疗措施 。 如 还阳 公司正在同 城祖 公司 联合研制一种检测“巧 ”基因功能失常的芯片 —据认为人类的癌症约有 印 主要是因为这种基因功能 失常引起的 。 制药业 生物芯片对于药物靶标的发现 、 多靶 位同步高通量药物筛选 、药物作用的分子机理 、药物 活性及毒性评价方面都有其它方法无可 比拟的优越 性 , 这可大大节省新药开发经费 , 并且可对由于不 良 反应而放弃的药物进行重新评价 , 选取可适用的患者 群 , 实现个性化治疗 。 相信在不久的将来 , 药品说明 书上的适用症和禁忌症都会改为适用基因型和禁忌 基因型 , 使得药品更加针对不同个体的不同疾病 , 达 到疗效更佳 、副作用更小的目的 。 由于生物芯片的重大意义和巨大的商业潜力 , 北美 、欧洲及我国等许多国家的政府和公司投人大量 人力物力来推动此项研究工作 。 如美国的国立卫生 研究院 、商业部高技术署 、国防部 、司法部和一些大公 司以及风险投资者投人了数亿美元的巨资 。 基因芯 片以及相关产品产业有可能成为二十一世纪最大的 高技术产业之一 。 高密度芯片的批量制备技术利用平面微细加工 技术 , 结合高产率原位 合成技术而成 。 制备高 密度芯片是重要的发展趋势 。 高密度基因芯片的设计将会成为基因芯片发展 的一个重要课题 , 它决定基因芯片的应用和功能 。 利 用生物信息学方法 , 据被检测基因序列的特征和检测 要求 , 设计出可靠性高 , 容错性好 , 检测直观的高密度 芯片是决定其应用的关键 。 在预防医学方面 , 可使人们尽早地认识 自身潜在 的疾病 , 并实施有效的防治措施 。 在医药设计 、环境保护 、农业等各个领域 , 基因芯 片均有很多用武之地 , 成为人类造福 自身的工具 。 美国总统克林顿在 年 月在演讲中指出 , “ 未来十二年 , 基因芯片将为我们一生中的疾病预防 指点迷津 ” 。 年 月 日华盛顿邮报在报道 进人基因芯片领域时 , 认为这将造福于子孙 后代 。 美国“ , ’杂志在 年 月重点介绍了 基因芯片技术 , 论述了未来产业化的前景 , 该文预测 “在 年仅仅在美国用于基因组研究的芯片销售 额将达约 亿美元 , 年有可能上升为 《 亿美 元 ” , 这还不包括用于疾病预防及诊治以及其它领域 中的基因芯片 。 · · © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 卷第 期 犯年 月 黑龙江畜牧兽医职业学院学报 , 崛 么刀 美国财富杂志载文指出 , 在当今科技史上有两件 事影响深远 , 一是微电子芯片 , 它是计算机的心脏 , 互 联网的基础 , 它彻底改变了我们的经济和文化生活 另一件事就是基因芯片 , 它将改变生命科学的研究方 式 , 革新医学诊断和治疗 , 极大地提高人 口素质和健 康水平 。 基因芯片技术的深入研究和广泛应用 , 将对 世纪人类生活和健康产生极其深远的影响 。 参考文献略 。 叼 飞 肠喇 姗 到叭 刃卿 儿‘ 朋 扭 冤 肠嘀 田砚 姗 记飞 目 灯 仆 罗 卿 叩记 ’ , 五 犯就川 血 , 而 一 耐 鱿 到 秘 、 毗 、 ‘ 即 嗯 山访罗 园 盯 川犯 罗 石 , 仆 ‘ 帅 习 罗 喇 盯罗 山司元 悦 , 肠 城 珑咯 耐 二 衅 盯 , 心 罗 , , , 责任编样 白永辉 上接第 页 山 吐 兀加 比 玩咽 姗 刃 罗 试 吐 助 叨 佃叮 冤 山嘀 山艰 娜 叫 加如 丘姆 功 坦旧 公刃 而玫 翻 而玫 , 罗 一 而玫 屺 叹笋 耐 而玫 , 街 助 书勺 叮 , 耐 雌 而 , 。 责任编样 秋明杰