2.基因芯片的基本原理分析
• 任何线状的单链DNA或RNA序列均可被分解为一个序列 固定、错落而重叠的寡核苷酸，又称亚序列 （subsequence）。例如可把寡核苷酸序列 TTAGCTCATATG分解成5个8 nt亚序列：
• 这5个亚序列依次错开一个碱基而重叠7个碱基。 • 亚序列中A、T、C、G 4个碱基自由组合而形成的所有可 能的序列共有65536种。 • 假如只考虑完全互补的杂交，那么48个8 nt亚序列探针中， 仅有上述5个能同靶DNA杂交。 • 可以用人工合成的已知序列的所有可能的n体寡核苷酸探 针与一个未知的荧光标记DNA/RNA序列杂交，通过对杂 交荧光信号检测，检出所有能与靶DNA杂交的寡核苷酸， 从而推出靶DNA中的所有8 nt亚序列，最后由计算机对大 量荧光信号的谱型（pattern）数据进行分析，重构靶 DNA 的互补寡核苷酸序列。
• 目前，我国尚未有较成型的基因芯片问世，但据 悉已有几家单位组织人力物力从事该技术的研制 工作，并取得了一些可喜的进展。标志着我国相 关学科与技术正在走向成熟。
• 涉及领域：生命科学、计算机科学、精密机械科 学
生物芯片分类
• 根据用途还可以把生物芯片分为两类：信息生物芯片 （information-biochip）和功能生物芯片（functionbiochip）。
1 CELL =23 PAIRS OF CHROMOSOMES
23 PAIRS OF CHROMOSOMES =~ 3,200,000,000 BASES
1 HUMAN BODY =100,000,000,000,000 CELLS
基因芯片结构示意图
生物芯片的制作步骤
细胞
对mRNA进行标记 杂交 基因表达资料
三、 基因芯片设计步骤
1. 基因芯片设计的一般性原则 基因芯片设计主要包括两个方面: 1. 探针的设计
–
指如何选择芯片上的探针
2. 探针在芯片上的布局
– 指如何将探针排布在芯片上。
• 确定芯片所要检测的目标对象
– 查询生物分子数据库
取得相应的DNA序列数据
– 序列对比分析
找出特征序列，作为芯片设计的参照序列。
薄膜型、玻片型
微板型
集成电路型
基因芯片 /DNA 微阵列
Gene Chip /DNA Microarray
第二节、基因芯片技术
核酸杂交技术 是基因芯片应用的基础。
核酸体外杂交技术
表达型基因芯片的设计
一、基因芯片（DNA微阵列）
寡核苷酸芯片、cDNA芯片、Genomic芯片 模式一：是将靶DNA固定于支持物上，适
原理 -- 通过杂交检测信息
一组寡核苷酸探针
TACGTTAG ATACGTTA
由杂交位置确定的一组 核酸探针序列
ATACGTTA TACGTTAG ACGTTAGA CGTTAGAT GTTAGATC
杂交探针组
ACGTTAGA
—TATGCAATCTAG
CGTTAGAT GTTAGATC
ATACGTTAGATC
芯片杂交
实际应用
数据分析
杂交检测
二、 基因芯片基本操作流程
• 制备总RNA→ mRNA经RT--PCR用Cy3（正常对照
组）和Cy5（实验组）荧光标记目的基因，得 到cDNA 探针→ 混合标记探针→与表达谱芯片 上核苷酸片段（或基因）杂交→扫描→分析杂 交结果→结论
• 载体+寡核苷酸-探针分子+荧光染料-点样仪扫描仪-计算机+专业软件
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 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。
基因芯片原型
主要类型
• 多种方法将寡核苷酸或短肽 • 固定到固相支持物上 • 原位合成（in situ synthesis） • 合成点样 • 支持物：玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙 膜等
例 基于芯片的基因测序
基因芯片流程（二）
4. 芯片杂交（将用Cy3和Cy5荧光标记的对照组 和实验组的cDNA 等量混合，与芯片进行杂交）
5. 芯片扫描（采用激光扫描仪，分别用532nm 和635nm波长激光扫描芯片，对于每张芯片， 得到Cy3和Cy5通道两幅图象）
cDNA spotted microarrays
8. 目的基因或序列的确定（采用ratio值对差 异基因进行判断，或采用统计方法如线性 回归、主成分分析、调整P值算法等对差 异基因进行统计推断）
9. 生物信息学分析（如cluster 算法、差异基 因的同源性比对，差异基因的相关文献检 索等）
微流控芯片检测仪
基因芯片的阅读分析系统
芯片扫描仪
芯片杂交盒
重组的互补序列 靶序列
TATGCAATCTAG
荧光标记的样品
共聚焦显微镜
基因芯片
获取荧光图象
杂交
探针设计 杂交结果分析
基因芯片的相关技术示意图
提出问题
芯片设计
芯片制作
点样方法 ● 在片合成
●
表达差异分析 ●多态性分析 ●再测序
●
生物信息学 ●数学优化 ●数据库
●
试样处理
PCR扩增 ●靶基因标记
●
计算机科学、微电子技术 光电技术、材料科学 等现代高 科技。
4.我国主要研究单位
• 中科院遗传所人类基因组中心 • 北京大学 • 联合基因集团有限公司
我国第一家批量生产基因 芯片 拥有近2千条基因药物发明专利
• 东南大学吴健雄实验室 • 中科院计算所生物信息学实验室 • 上海生科院
我国基因芯片的研究现状
原位合成 光导原位合成法 原位喷印合成 针式点样
基因芯片的制 作方式 直接点样
喷墨点样 分子印章法
原位合成法
• 主要为光引导聚合技术（Light-directed synthesis），不仅可用于寡 核苷酸的合成，也可用于合成寡肽分子。
• • • • 主要步骤为： 首先使支持物羟基化，并用光敏保护基团将其保护起来。 每次选取适当的蔽光膜（mask）使需要聚合的部位透光，其他部位不透光。 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。
合于大量不同靶DNA的分析，
模式二：将大量探针分子固定于支持物上，
适合对同一靶DNA进行不同探针序列的分
析。
1.基因芯片原理
基因芯片是在基因探针的基础上研制出的。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布来进行分 析。基因芯片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。 基因芯片技术是建立在Southern blot基础之上的， 可以说它是Southern blot的改进和发展，它的原理是： 变性DNA 加入探针后在一定温度下退火，同源片段之 间通过碱基互补形成双链杂交分子。
基因芯片又称DNA微阵列 （DNAmicroarray）
• 三种主要类型：
• 1）固定在聚合物基片（尼龙膜、硝酸纤维膜等）表面上的核酸探针 或cDNA片段——通过同位素标记的靶基因与其杂交，通过放射显影技 术进行检测 • 2）用点样法固定在玻璃板上的DNA探针阵列——通过与荧光标记的靶 基因杂交进行检测 • 3）在玻璃等硬质表面上直接合成的寡核苷酸探针阵列——与荧光标 记的靶基因杂交进行检测
2、光导原位合成法
• 是在经过处理的载玻片表面铺上一层连接分子（linker）， 其羟基上加有光敏保护基团，可用光照除去，用特制的光 刻掩膜（photolithographic mask）保护不需要合成的 部位，而暴露合成部位，在光作用下去除羟基上的保护基 团，游离羟基，利用化学反应加上第一个核苷酸，所加核 苷酸种类及在芯片上的部位预先设定，所引入的核苷酸带 有光敏保护基团，以便下一步合成。然后按上述方法在其 它位点加上另外三种核苷酸完成第一位核苷酸的合成，因 而N个核苷酸长的芯片需要4N个步骤。每一个独特序列的 探针称为一个“feature”，这样的芯片便具有4N个 “feature”，包含了全部长度为N的核苷酸序列。 • 这种原位直接合成的方法无须制备处理克隆和PCR产物， 但是每轮反应所需设计的光栅则是主要的经费消耗。运用 这种方法制作的芯片密度可高达106探针/平方厘米，即探 针间隔为 5－10μm，但只能制作II型 DNA芯片。
一次性对样品大量序列进行检测和分析，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 程序低、操作序列数量少、检测效率低等不足。
检测每个探针分子 的杂交信号强度
获取样品分子的 数量和序列信息
基因芯片是信息时代的产物
横跨：生命科学、物理学、
– 数据库搜索
• 得到关于序列突变的信息及其它信息。
• 在进行探针设计和布局时必须考虑以下 几个方面： (1)互补性 (2)敏感性和特异性 (3)容错性 (4)可靠性 (5)可控性 (6)可读性
基因芯片使用步骤
芯片制作
样品处理
把探针固定于载体表面
目标分子富集
分子间的杂交 结果检测与数据分析
原位光蚀刻合成
基因芯片流程
样品制备 杂交 芯片制备
杂交信号检测
数据分析
基因芯片的操作流程
基因芯片流程（一）
1. 实验设计 2. 样品制备（指mRNA或总RNA样品，包括对 照组和实验组。将mRNA或总RNA分别进行 逆转录生成cDNA，然后将对照组和实验组 cDNA分别标记Cy3和Cy5荧光信号） 3. 芯片制备（寡核苷酸探针或 cDNA探针，包 括PCR，纯化，点样等步骤）
基因芯片研制的总体蓝图