基因芯片技术的研究进展与前景

基因芯片技术的研究进展与前景

摘要

关键词 基因芯片，遗传性疾病，基因组计划， 一、基因芯片技术的产生背景

基因芯片技术是伴随着人类基因组计划而出现的一项高新生物技术。2001年6月公布了人类基因组测序工作草图；2002年出发飙了较高精确度和经过详细注解的人类基因组研究结果；2004年10月发表了已填补基因组中许多Gap片段的更精确的人类全基因组序列，标志人类基因组计划的完成和新时代的开始。随着人类基因组计划的开展，也同时进行了模式生物基因组测序工作。动物、植物、细菌及病毒基因组等测序工作都已取得重大进展。

随着各种基因组计划的实施和完成（有的即将完成），一个庞大的基因数据库已经建成。怎样从海量的基因信息中发掘基因功能。如何研究成千上万基因在生命过程中所担负的角色；如何开发利用各种基因组的研究成果，将基因的序列与功能关联起来，认识基因在表达调控、机体分化等方面的生物学意义；解释人类遗传进化、生长发育、分化衰老等许多生命现象的奥秘；深入了解疾病的物质基础及发生、发展过程；开发基因诊断、治疗和基因工程药物并用来预防诊断和治疗人类几千种遗传性疾病??这些都将成为现代生物学面临的最大挑战。这样的背景促使人们研究和开发新的技术手段来解决后基因组时代面临的一系列关键问题。20世纪90年代初，为适应“后基因组时代”的到来，产生了一项新的技术，即以基因芯片为先导的生物芯片技术。

二、基因芯片的概念

基因芯片（又称DNA芯片、DNA微阵列）技术是基于核酸互补杂交原理研制的。该技术指将大量（通常每平方厘米点阵密度高于 400 ）探针分子固定于支持物上后与有荧光素等发光物质标记的样品DNA或RNA分子进行杂交，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，从而对基因表达的量及其特性进行分析。通俗地说，就是通过微加工技术 ，将数以万计、乃至百万计的特定序列的DNA片段（基因探针），有规律地排列固定于2cm2 的硅片、玻片 等支持物上，构成的一个二维DNA探针阵列，与计算机的电子芯片十分相似，只是在固相基质上古高度集成的不是半导体管，而是成千上万的网格状密集排列的基因探针，所以被称为基因芯片。

三、基因芯片技术的分类

1 根据功能分类：基因表达谱芯片和DNA测序芯片两类。基因表达图谱芯片可以将克隆的成千上万个基因特异的探针或其cDNA片段固定在一块DNA芯片上，对于来源不同的个体、组织、细胞周期、发育阶段、分化阶段、病变、刺激（包括不同诱导、不同治疗手段）下的细胞内mRNA或反转录后产生的cDNA进行检测，从而对这个基因表达的个体特异性、组织特异性、发育阶段特异性、分化阶段特异性、病变特异性、刺激特异性进行综合的分析和判断，迅速将某个或某几个基因与疾病联系起来，极大地加快这些基因功能的确定，同时可进一步研究基因与基因间相互作用的关系，DNA测序芯片则是基于杂交测序发展起来的。其原理是任何线状的单链DNA或RNA序列均可裂解成一系列碱基数固定、错落而重叠的寡核苷酸，如能把原序列所有这些错落重叠的寡核苷酸序列全部检测出来，就可据此重新组建出新序列。

2 根据基因芯片所用基因探针的类型不同，可分为cDNA微阵列和寡核苷酸微阵

列两大类。

3 根据应用领域的不同可称为各种专用型芯片，如：毒理学芯片、病毒检测芯片、表达谱芯片、诊断芯片、指纹图谱芯片、测序芯片等。

四、基因芯片技术的4个技术环节

1、 芯片制备：主要是原位合成法和点样法。原位合成法适用于寡核苷酸；点样法多用于大片段DNA，有时也用于寡核苷酸。原位合成法包括光导合成法和压电合成法。其优点是反应量大， 探针的密度高并且可以和其他芯片制备方法结合使用， 一般用于较短的探针。点样法包括接触式点样和非接触式点样又称喷墨式打印。因点样法成本高，故适用于芯片上需要同一探针。

2、样品的制备与标记：从待检细胞或组织中分离出DNA或RNA，经逆转录、PCR扩增、 末端标记等操作，标记主要有荧光标记或同位素标记。现在常用同位素标记，以提高检测的灵敏度和使用者的安全性。

3、杂交反应： 芯片上的生物分子间杂交反应是芯片检测关键的一步。选择最佳反应条件以减少生物分子间的错配率，从而获得最能反映生物本质的信号。影响杂交双链形成的因素包括靶标浓度、探针浓度、杂交双方的序列组成、盐浓度及温度等。

4、信号检测与结果分析：荧光标记检测法常用的扫描仪有激光共聚扫描仪和电荷偶联装置（CCD）扫描仪。CCD扫描仪扫描速度快，不需要移动X-Y二维平台且价格便宜，但其灵敏度较低。激光共聚扫描仪具有快速传输高质量图象与数据的特性，且灵敏度高，是较理想的检测工具。

五、基因芯片技术的应用

基因芯片技术可以对大量的生物样品平行、快速、敏感、高效地进行基因分析，因而在DNA序列测定、基因表达分析、基因组研究、基因诊断、药物研究与开发，以及工业、食品与环境监测等领域得到广泛应用。

1、DNA序列分析

基因芯片技术通过大量固化的寡核苷酸探针与生物样品的靶序列进行分子杂交，产生杂交图谱，排列出靶DNA的序列。目前基因芯片主要用于已知序列的重测序。重测序是指人类基因组计划中的基因测序完成后，由于个别群体或个人进行再测序。

2、基因突变检测

人类基因组中常见的基因突变包括点突变、插入、缺失等形式，采用寡核苷酸芯片可对这些突变类型进行检测。

3、基因表达谱分析

基因芯片技术具有高效、灵敏、高通量、平行化等特点，可对各种来源于细胞内的mRNA或cDNA进行大规模平行检测与分析，因而在金银表达谱分析语基因功能研究领域中得到管广泛应用。

4、基因组研究

基因组研究的主要内容是研究人类基因组的结构与功能，其中主要包括：a.基因组作图，包括遗传图和物理图的绘制。遗传图的绘制需要应用多态性标志。随着基因组研究的发展，现已开发和分离出一种新的遗传标记系统——单核苷酸多态性标记，应用基因芯片技术，将分离得到的SNP标记物集成在一张芯片上，通过一次杂交就可以得到大量的信息，为研究基因组多样性和识别、定位疾病和相关基因的一种新型手段。b.序列测定，是基因芯片技术最基本的应用之一，可大大加快测序的进程，降低费用。C.基因鉴定。基因芯片技术为大规模的新基因的发现、疾病相关基因的鉴定提供了一种快速、有效的方法。d.基因的表

达谱，基因表达mRNA的水平反映了基因的功能信息，因此绘制所有基因的表达图谱是研究基因功能的一个重要方面。而基因芯片技术可以同时分析大量基因的表达水平。因此在基因功能的雅安就中发挥着重要作用。

5、基因诊断

a. 遗传病诊断型基因芯片

人类的疾病与遗传基因密切相关，基因芯片可以对遗传信息进行快速准确的分析，因此它在疾病的分子诊断中的优势是不言而喻的，基因芯片技术已经被应用于感染性疾病、肿瘤和药物代谢等方面的研究。

遗传病主要有三大类:单基因遗传病:约有3 360多种,如血友病、先天聋哑、苯丙酮尿症、家族性多发性结肠息肉症等等 ,人群中受累人数约为10 %;多基因遗传病:病种虽不多 ,但发病率高 ,多为常见病和多发病 ,如原发性高血压、糖尿病、冠心病等 ,人群中受累人数约为20 %;染色体病:近 500 种 ,人群中受累人数约为1 %。以上各类遗传病发病率加起来约为 30 % ,而且还有逐年增加的趋势。以往 ,在临床上 ,人们因为无法鉴定基因的分子缺陷 ,对遗传病的诊断主要是通过对病史、症状和体征进行分析 ,并通过家系分析以及实验室检查等手段来完成的。这些方法都是对疾病的结果进行分析 ,再由结果追溯原因。近 20 年来 ,随着分子生物学技术的发展 ,人们可以直接从遗传病因即导致疾病的基因入手来进行遗传病的诊断。利用基因芯片技术 ,通过分析和检测患者某一特定基因 ,既可诊断遗传病患者 ,也可诊断有遗传病风险的胎儿(产前诊断) ,甚至是着床前的胚胎(着床前诊断) 。

b.

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