基因芯片.ppt.ppt

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1、基因芯片及其应用内内 容容背背 景景基因分析芯片开发的动力：基因分析芯片开发的动力：1.遗传信息迅猛增长遗传信息迅猛增长 随着人类基因组（测序）计划（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）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。然而未有的速度迅速增长。然而,怎样去研究如此众多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基因在生命过程中所担负的功能就

2、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。的检测、分析就显得格外重要了。2.相关学科与技术的高度发展和相互渗透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、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化却是直接得益于探针固相原位合成技术和照相平板

3、印刷技术的有机结合以及激光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，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、准确的检以对杂交信号进行实时、灵敏、准确的检测和分析。测和分析。3.科学的发展人类的进步要求进行大规模基科学的发展人类的进步要求进行大规模基因信息的解析因信息的解析 鉴于基因芯片的多种用途和其远大的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发展前景，不少生命科学研

4、究机构和生物技术公司都先后参与了这项技术的研究。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、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。临床诊断学和基因组学研究。一、概一、概 念念主要指通过平面微细加工技术在固体芯主要指通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建的微流体

5、分析单元和系统，以实现对片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其它生物组分的准确、细胞、蛋白质、核酸以及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。快速、大信息量的检测。最重要的一种生物芯片。最重要的一种生物芯片。是继大规模集成电路之后的又一次具有是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。深远意义的科学技术革命。技术是通过技术是通过微阵列微阵列技术技术,将高密度将高密度DNA片段阵列片段阵列通过高速机器人或通过高速机器人或原位合成方式原位合成方式以一定的顺序或排列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，以荧光标记的生物样品，使其附着在如玻

6、璃片等固相表面，以荧光标记的生物样品，借助互补杂交原理，借助互补杂交原理，通过检测每个探针分子的杂交信号强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度进而获取样品分子的数量和序列信息进行大量的基因表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。达及监测等方面研究的最新革命性技术。技术巨大优势在于它可以技术巨大优势在于它可以并行并行地地宏量宏量获取生物信获取生物信息，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，多态性研究和础的基因水平的表达监控，多态性研究和Genotyping。从而使我们对

7、基因表达调控有更深入的了解。从而使我们对基因表达调控有更深入的了解。基因芯片的重要性可以与基因芯片的重要性可以与5050年代年代 把单个晶体管组装成集成电路芯片相比，把单个晶体管组装成集成电路芯片相比，它将会对廿一世纪生命科学它将会对廿一世纪生命科学 和医学的发展产生无法估计的影响。和医学的发展产生无法估计的影响。二、原二、原 理理基因芯片基因芯片(Gene Chip,DNA Chip)，又称，又称DNA微阵列微阵列(DNA Micorarray)，是指按照预定位置，是指按照预定位置固定在固相载体上很小面积内的千万个核酸分固定在固相载体上很小面积内的千万个核酸分子所组成的微点阵阵列。在一定条件

8、下，载体子所组成的微点阵阵列。在一定条件下，载体上的核酸分子可以与来自样品的序列互补的核上的核酸分子可以与来自样品的序列互补的核酸片段杂交。如果把样品中的核酸片段进行标酸片段杂交。如果把样品中的核酸片段进行标记，在专用的芯片阅读仪上就可以检测到杂交记，在专用的芯片阅读仪上就可以检测到杂交信号。信号。基因芯片是在基因探针的基础上研制出的，所谓基因芯片是在基因探针的基础上研制出的，所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针基因探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接一些可检测的物质，根据碱基互补的原理上连接一些可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。，利用

9、基因探针到基因混合物中识别特定基因。它将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记它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，通过检测杂交信号的强度及分的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析。基因芯片通过应用平面微细加工布来进行分析。基因芯片通过应用平面微细加工技术和超分子自组装技术，把大量分子检测单元技术和超分子自组装技术，把大量分子检测单元集成在一个微小的固体基片表面，可同时对大量集成在一个微小的固体基片表面，可同时对大量的核酸和蛋白质等生物分子实现高效、快速、低的核酸和蛋白质等生物分子实现高效、快速、低成本的检测和分析。成本的检测和分析。基因芯片技术的主要特点基

10、因芯片技术的主要特点:技术操作简单技术操作简单 自动化程度高自动化程度高序列数量大序列数量大检测效率高检测效率高应用范围广应用范围广成本相对低成本相对低FSolid support(glass,membrane,plastic,silicon)FMiniaturized array of DNA(genetic material)FWork on the biochemical principle of DNA/DNA hybridizationFHybridized probes(DNA molecules)are fluorescently labeled基因芯片技术主要包括四个主要步骤：

11、基因芯片技术主要包括四个主要步骤：2、样品制备、样品制备 生物样品往往是复杂的生物分子混合体，除生物样品往往是复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一般不能直接与芯片反应，有时样品的少数特殊样品外，一般不能直接与芯片反应，有时样品的量很小。所以，必须将样品进行提取、扩增，获取其中的量很小。所以，必须将样品进行提取、扩增，获取其中的蛋白质或蛋白质或DNA、RNA，然后用荧光标记，以提高检测的灵，然后用荧光标记，以提高检测的灵敏度和使用者的安全性。敏度和使用者的安全性。荧光标记为最常用的方法，优点是无放射性且有多种颜色荧光标记为最常用的方法，优点是无放射性且有多种颜色可供使用可供使用 1、芯片制

12、备、芯片制备 目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体，目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体，采用原位合成和微矩阵的方法将寡核苷酸片段或采用原位合成和微矩阵的方法将寡核苷酸片段或cDNA作作为探针按顺序排列在载体上。芯片的制备除了用到微加工为探针按顺序排列在载体上。芯片的制备除了用到微加工工艺外，还需要使用机器人技术。以便能快速、准确地将工艺外，还需要使用机器人技术。以便能快速、准确地将探针放置到芯片上的指定位置探针放置到芯片上的指定位置3 3、杂交反应、杂交反应 杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行的反应产生一系列信息的过程。选择合适的反应针进行的反应产

13、生一系列信息的过程。选择合适的反应条件能使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分条件能使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间的错配率子之间的错配率 4 4、信号检测和结果分析、信号检测和结果分析 杂交反应后的芯片上各个反应点杂交反应后的芯片上各个反应点的荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件可以分的荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件可以分析图像，将荧光转换成数据，即可以获得有关生物信息析图像，将荧光转换成数据，即可以获得有关生物信息 杂交仪杂交仪(Hybridization station)(Hybridization station)或或杂交盒杂交盒(Hybridiz

14、ation chamber)(Hybridization chamber)检测系统检测系统阅读仪阅读仪(Reader)激光共焦扫描激光共焦扫描CCD成像成像 Label fluorescentlyby nick translation基因芯片原型基因芯片原型 三、分类三、分类F寡核苷酸芯片寡核苷酸芯片FcDNA芯片芯片F原位合成法原位合成法F合成后点样法合成后点样法分类一：分类一：分类二：分类二：（一）、原位合成法：（一）、原位合成法：指根据预先设计的点阵序列在每个位点通过有机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。聚合成的方式直接聚合得到所要求的探针

15、分子。聚合之后芯片片基的制作即告结束。合之后芯片片基的制作即告结束。该方法有两类：该方法有两类：光引导原位聚合技术光引导原位聚合技术 压电打印原位聚合技术压电打印原位聚合技术分类一：分类一：基因芯片在片合成原理图光引导原位聚合技术光引导原位聚合技术简要过程：首先使支持物羟基化，简要过程：首先使支持物羟基化，并用光敏保护基团将其保护起来，选取择适当的蔽光膜并用光敏保护基团将其保护起来，选取择适当的蔽光膜（maskmask）使需要聚合的部位透光，其它部们不透光。这）使需要聚合的部位透光，其它部们不透光。这样，光通过蔽光膜照射到支持物上，受光部位的羟基解样，光通过蔽光膜照射到支持物上，受光部位的羟基

16、解保护，进而与单体分子共价结合。因为合成所用的单体保护，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，每次通过控制蔽光膜的图案（透光与不护基团。因此，每次通过控制蔽光膜的图案（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。体的目的。优点：优点：合成效率高，点阵密度高合成效率高，点阵密度高缺点：缺点：设备昂贵，技术复杂，反应产率低设备昂贵，技术复杂，反应产率低压电打印原位聚合技术压电打印原位聚合技术其装置与普通的彩色喷墨打印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，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，支持将墨盒中的墨汁分别用四种碱基合成试剂替代