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DNA微陣列（基因芯片）簡(jiǎn)介

時(shí)間：2022-08-12 09:54:01 | 來(lái)源：網(wǎng)站運(yùn)營(yíng)

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導(dǎo)言

DNA微陣列 (DNA Microarrays)技術(shù)/基因芯片（Genechip）技術(shù)是一種在上世紀(jì)80年代開(kāi)始研制，90年代成熟和推廣并得到廣泛應(yīng)用的生物學(xué)檢測(cè)技術(shù)。目前英文中大多使用DNA微陣列（DNA Microarrays）來(lái)表示基因芯片，而Genechip已經(jīng)被美國(guó)昂飛（Affymetrix）公司申請(qǐng)商用專利。

DNA微陣列（基因芯片）技術(shù)的出現(xiàn)是生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑事件。它使得生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域研究快速發(fā)展，與之相關(guān)的科學(xué)論文數(shù)以萬(wàn)記（未統(tǒng)計(jì)具體數(shù)字，表示很多的意思）。而且，這項(xiàng)產(chǎn)生于上個(gè)世紀(jì)的基因芯片技術(shù)目前仍然是生物科學(xué)領(lǐng)域最具應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)之一（80年代-克隆，90年代-PCR，21世紀(jì)-芯片）。

DNA微陣列（基因芯片）技術(shù)和傳統(tǒng)的Southern雜交、Northern雜交等技術(shù)一樣，均基于核酸之間的互補(bǔ)結(jié)合特性開(kāi)發(fā)，但是傳統(tǒng)技術(shù)只能針對(duì)單個(gè)基因來(lái)分析，而微陣列技術(shù)則開(kāi)啟了高通量模式。

如果是第一次接觸這個(gè)概念，你可以先簡(jiǎn)單的把微陣列理解成是一種和計(jì)算機(jī)芯片（如中央處理器，Central Processing Unit，CPU）在體積上類似（都很?。⒅饕糜诙ㄐ曰蚨繙y(cè)定生命體內(nèi)物質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)。區(qū)別在于微陣列（如DNA Microarrays）并不能用來(lái)進(jìn)行加減乘除等數(shù)學(xué)運(yùn)算，而CPU可以）。

所涉及的名詞和技術(shù)

如果你有知識(shí)體系構(gòu)建的習(xí)慣，可以將這次所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容大致與以下名詞做一些關(guān)聯(lián)：

相關(guān)知識(shí)所依賴的場(chǎng)所：

學(xué)習(xí)它的重要性

如果你參加過(guò)與生物信息學(xué)相關(guān)的培訓(xùn)或者導(dǎo)讀課程，就會(huì)知道，DNA微陣列（基因芯片）技術(shù)常常是作為這些課程的必修內(nèi)容之一。

兩個(gè)“簡(jiǎn)單”問(wèn)題

我建議在這里你可以稍微發(fā)動(dòng)一下你的想象力，盡量基于你已有的知識(shí)或者憑空猜一猜看。

如果你已經(jīng)有自己的答案或者實(shí)在想不出來(lái)則可以繼續(xù)往下（這樣會(huì)加深你對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題的印象）。

生物和非生物體的主要區(qū)別在哪里？

生物的九大基本特征：

  1. 生物體具有嚴(yán)整的結(jié)構(gòu)（細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位）。
  2. 生物體能進(jìn)行新陳代謝。
  3. 生物體能生長(zhǎng)。
  4. 生物體具有應(yīng)激性。
  5. 生物體能生殖和發(fā)育。
  6. 生物體具有遺傳和變異的特性。
  7. 生物體能在一定程度上適應(yīng)環(huán)境并影響環(huán)境。
  8. 生物體能跟外界進(jìn)行物質(zhì)交換。
  9. 生物體可以呼吸。
自主閱讀，并回答：

生物體內(nèi)的遺傳信息傳遞依賴哪些物質(zhì)？它的流動(dòng)順序是怎樣的？

這里要引入一個(gè)非常重要的概念：中心法則：生物體內(nèi)的遺傳信息沿著DNA-RNA-蛋白質(zhì)軸流動(dòng)，DNA->DNA：DNA復(fù)制，DNA->RNA：轉(zhuǎn)錄，RNA->RNA：RNA復(fù)制，RNA->DNA：逆轉(zhuǎn)錄，RNA->蛋白質(zhì)：翻譯。掌握這個(gè)生物體內(nèi)的信息流動(dòng)過(guò)程對(duì)于你理解基因芯片技術(shù)有重要幫助。

補(bǔ)充一點(diǎn)，以后你會(huì)經(jīng)常碰到“擴(kuò)增（amplification）”這個(gè)概念，其實(shí)它主要對(duì)應(yīng)于中心法則中的DNA復(fù)制過(guò)程，如基因芯片技術(shù)大多有互補(bǔ)脫氧核糖核酸（complementary DNA，cDNA）的擴(kuò)增步驟。







圖一 真核生物的中心法則示意圖（DNA，RNA和蛋白質(zhì)）。

什么是微陣列？

微陣列的概念和方法（抗體微陣列，也稱為抗體基質(zhì)）最早由Tse Wen Chang于在1983年發(fā)表在《J Immunol Methods》的科學(xué)論文進(jìn)行了論述。

微陣列主要是基于固體基質(zhì)（通常是載玻片或硅薄膜）上的二維陣列，使得人們可以高通量地定性或定量的測(cè)定生物分子（如DNA、RNA、蛋白質(zhì)等）。







圖二 抗體微陣列示意圖

微陣列的分類

微陣列主要類型包括：

這里可以看到，微陣列技術(shù)除了使用DNA、RNA、蛋白質(zhì)，還可以使用其他諸如比DNA等大一點(diǎn)的組織、細(xì)胞，或者更小一點(diǎn)的肽、碳水化合物等物質(zhì)。你需要記住的是DNA和RNA是基因芯片技術(shù)使用最多的兩種物質(zhì)，后面我們將對(duì)DNA微陣列（基因芯片）進(jìn)行部分展開(kāi)。如果想了解其他芯片技術(shù)，你可以快速地比較一下其他微陣列技術(shù)，如蛋白質(zhì)微陣列和肽微陣列。

DNA微陣列（基因芯片）

DNA微陣列（基因芯片）是屬于微陣列技術(shù)應(yīng)用中的一種，主要是用于定性或定量測(cè)量存在于生物體內(nèi)的核酸。其用于定性和定量的探針由數(shù)kb（cDNA芯片）或者幾十個(gè)（寡核苷酸）特定類型的核苷酸所構(gòu)成。該技術(shù)之所以可行的一個(gè)重要原理就是堿基之間的互補(bǔ)配對(duì)作用，以及互補(bǔ)的核苷酸單鏈間的雜交作用。

DNA微陣列（基因芯片）的發(fā)展歷史

上個(gè)世紀(jì)80年代中期提出基因芯片的原型開(kāi)始，因其依賴的相關(guān)技術(shù)還不成熟，基因芯片技術(shù)還一直處于實(shí)驗(yàn)室階段，并未進(jìn)行大規(guī)模商用。

1991年，美國(guó)的Affymetrix公司開(kāi)始進(jìn)一步對(duì)基因芯片技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。次年（1992年）Affymetrix公司制成了首張商業(yè)化寡核苷酸芯片，并使用前面提到的Genechip作為其基因芯片的商業(yè)名稱。

1995年斯坦福大學(xué)的 Ron Davis and Pat Brown 實(shí)驗(yàn)室首次在《Science》雜志上發(fā)表基因表達(dá)譜芯片的論文之后，DNA微陣列即基因芯片技術(shù)開(kāi)始迎來(lái)它的黃金發(fā)展期。

1996年，Affymetrix公司運(yùn)用激光共聚焦及分子生物學(xué)技術(shù)研制出首塊cDNA芯片，從此拉開(kāi)了基因芯片技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)的帷幕，這一年也被稱為基因芯片的元年。Affymetrix（昂飛），Agilent（安捷倫），Illumina等商業(yè)公司的成立對(duì)于基因芯片技術(shù)的進(jìn)一步和大范圍推廣應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。

1998年，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)將基因芯片技術(shù)列為年度自然科學(xué)領(lǐng)域十大進(jìn)展之一，同年美國(guó)政府正式啟動(dòng)生物芯片計(jì)劃。

2001年人類第一個(gè)基因組發(fā)布之后，隨著二代測(cè)序技術(shù)時(shí)代的到來(lái)，在一部分生物檢測(cè)領(lǐng)域（如基因表達(dá)譜分析）逐漸替代了基因芯片成為首選技術(shù)（如全轉(zhuǎn)錄組測(cè)序）。

2016年占據(jù)基因表達(dá)譜芯片市場(chǎng)絕大多數(shù)份額的美國(guó)Affymetrix（昂飛）公司被另一家美國(guó)公司賽默飛世爾科技（Thermo Fisher Scientific）以13億美元的價(jià)格收購(gòu)。







圖三 Affymetrix（昂飛）基因芯片實(shí)物圖

左：Human Genome U133 Plus 2.0 右：Mouse Genome 430 2.0

應(yīng)用場(chǎng)景及其技術(shù)路線

來(lái)源：Wiki

擴(kuò)展閱讀：

cDNA基因芯片和寡核苷酸基因芯片




圖四 基因芯片流程概覽（一）




圖五 基因芯片流程概覽（二）

圖六 基因芯片標(biāo)記后核酸雜交示意圖







圖七 Affymetrix Human Genome U133A基因芯片示意圖

Affymetrix 原位光刻技術(shù)

美國(guó)著名的Affymetrix公司率先開(kāi)發(fā)了寡聚核苷酸原位光刻技術(shù)，并申請(qǐng)相關(guān)專利。它是生產(chǎn)高密度寡核苷酸基因芯片的核心關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于用很少的步驟可合成大量的DNA陣列（主要步驟：固基羥基化-光敏基團(tuán)保護(hù)-避光膜透光聚合-光照活化-堿基結(jié)合-反應(yīng)合成-不斷循環(huán)）。Affymetrix的原位合成技術(shù)可制作的點(diǎn)陣密度高達(dá)10^6~10^10/cm^2。







圖八 Affymetrix原位光刻技術(shù)示意圖

Affymetrix PM-MM探針設(shè)計(jì)

采用PM-MM配對(duì)設(shè)計(jì)探針的目的是為了提高芯片技術(shù)檢測(cè)結(jié)果的靈敏度和特異度。

Affymetrix在探討了各種各樣的影響因素后，設(shè)計(jì)出了一種獨(dú)特的PM-MM探針?lè)桨浮Ｐ酒系拿恳粋€(gè)基因或EST都是由一個(gè)或幾個(gè)探針組(probe set)組成，每組探針組又由11-20對(duì)25mer的探針對(duì)(probe pair)組成，每探針對(duì)包括兩個(gè)探針池(probe cell)，其中一個(gè)是完全匹配（Perfect-Match，PM）的，另外一個(gè)是序列中間有一個(gè)堿基錯(cuò)配的(Mis-match，MM)。

通過(guò)多個(gè)短核苷酸片段可以有效區(qū)分同源片段，避免了同源片段的結(jié)合導(dǎo)致的假陽(yáng)性和錯(cuò)誤。

一般使用25mer長(zhǎng)度的寡核苷酸。因?yàn)樵谠撻L(zhǎng)度下，信號(hào)強(qiáng)度和分辨率達(dá)到平衡，有一個(gè)堿基發(fā)生錯(cuò)配，雜交復(fù)合物就會(huì)變得很不穩(wěn)定。如果長(zhǎng)度達(dá)到60mer，就無(wú)法區(qū)分序列上十分接近的序列，即有錯(cuò)配堿基仍然會(huì)進(jìn)行結(jié)合。







圖九 Affymetrix PM-MM探針設(shè)計(jì)示意圖

illumina BeadArray光纖微珠

Illumina的芯片產(chǎn)品采用了另外的一種技術(shù)：BeadArray光纖微珠。







圖十 Illumina基因芯片的微珠結(jié)構(gòu)：每個(gè)微珠上會(huì)連接100萬(wàn)個(gè)左右相同的探針







圖十一 Illumina基因芯片Beadarry示意圖

雙通道和單通道

從雙通道（cDNA芯片）到單通道（寡核苷酸芯片）是基因芯片技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中重要進(jìn)步之一。

標(biāo)準(zhǔn)化： 在芯片實(shí)驗(yàn)中，各個(gè)芯片的絕對(duì)光密度值是不一樣的，在比較各個(gè)芯片結(jié)果之前必需將其歸一化（normalization，也稱作標(biāo)準(zhǔn)化）。在同一塊芯片上雜交的、由不同熒光分子標(biāo)記的兩個(gè)樣品間的數(shù)據(jù)即雙通道數(shù)據(jù)，也需歸一化。標(biāo)準(zhǔn)化的概念現(xiàn)在只要記住一點(diǎn)：在數(shù)據(jù)分析時(shí)需要利用某些算法對(duì)不同芯片或者同一芯片不同通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，從而使其之間可以進(jìn)行比較。

雙通道到單通道數(shù)據(jù)的的標(biāo)準(zhǔn)化適用的標(biāo)準(zhǔn)化算法不完全一致。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化算法資料可以在提供的后續(xù)閱讀材料中獲取。

依賴的其他技術(shù)

一項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)生，其往往依靠的是大量前期人們所積累的其他技術(shù)基礎(chǔ)之上，這和一項(xiàng)科研成果大多需要基于前人的工作一樣?；蛐酒夹g(shù)的產(chǎn)生也得益于其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)明和發(fā)展。

PCR技術(shù)

上世紀(jì)80年代，在分子生物學(xué)領(lǐng)域有一個(gè)家喻戶曉的技術(shù)被發(fā)明——-聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction，PCR)。它可以以指數(shù)級(jí)別擴(kuò)增特定DNA片段的單拷貝或幾個(gè)拷貝，以產(chǎn)生數(shù)千至數(shù)百萬(wàn)拷貝的特定DNA序列。而在基因芯片進(jìn)行樣品檢測(cè)時(shí)，常常需要將目標(biāo)核酸進(jìn)行大量擴(kuò)增以使得其可以達(dá)到被檢測(cè)的水平。以后你遇到的很多其他生物學(xué)檢測(cè)技術(shù)（如高通量測(cè)序技術(shù)）也會(huì)常常用到這個(gè)技術(shù)。

PCR技術(shù)由Kary Mullis在1983年發(fā)明。10年之后的1993年，Kary Mullis和Michael Smith一起榮獲當(dāng)年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，后者主要是獎(jiǎng)勵(lì)其發(fā)明的寡聚核苷酸定點(diǎn)誘變技術(shù)。

標(biāo)記技術(shù)

除了PCR技術(shù)很重要之外，另一個(gè)也是基因芯片檢測(cè)試驗(yàn)必不可少的：標(biāo)記技術(shù)。目前在基因芯片產(chǎn)品中常用到的兩種標(biāo)記物：

通過(guò)標(biāo)記物標(biāo)記之后的核酸才有可能被我們的基因芯片儀器所檢測(cè)到，后面的數(shù)據(jù)分析中定量分析，如確定基因表達(dá)水平的高低，也主要依靠的是標(biāo)記物所產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)弱來(lái)計(jì)算。

高精度機(jī)械臂

基因芯片和計(jì)算機(jī)芯片類似，都是在很小的容積內(nèi)進(jìn)行很多高精度操作。特別是cDNA芯片，它需要先合成大量的長(zhǎng)片段核酸，然后通過(guò)注射入芯片上相應(yīng)的位置。

顯微鏡和光傳感技術(shù)

單單只有標(biāo)記好的核酸是產(chǎn)生不了數(shù)據(jù)的，需要一個(gè)掃描裝置來(lái)將陣列上的斑點(diǎn)（核酸標(biāo)記產(chǎn)生光的強(qiáng)弱變化）將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。而能夠完成掃描工作的裝置就是利用顯微鏡和光傳感技術(shù)的各類顯微鏡。

這里強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：對(duì)于上世紀(jì)基因芯片技術(shù)廣泛應(yīng)用的最重要的顯微鏡類型是激光掃描共焦顯微鏡。激光掃描共焦顯微鏡與激光掃描熒光顯微鏡相比，盡管二者結(jié)構(gòu)類似，但是前者可以在熒光標(biāo)記分子與DNA芯片雜交的同時(shí)進(jìn)行雜交信號(hào)的探測(cè)，而無(wú)須清洗掉未雜交分子，從而簡(jiǎn)化了操作步驟大大提高了工作效率。

其他

其他閱讀資料

通過(guò)以上內(nèi)容，我相信你對(duì)基因芯片技術(shù)已經(jīng)有了一些初步的了解。如果你仍然感興趣，或者希望進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)，你可能需要集中閱讀大量相關(guān)資料（即主題閱讀）。下面列出的一些鏈接，中文資料只簡(jiǎn)單在一些平臺(tái)搜索了關(guān)鍵字，英文資料則進(jìn)行了匯總。

開(kāi)始閱讀其它資料之前，你可以點(diǎn)擊這里進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)?zāi)愕牡谝淮翁摂M基因芯片實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析（雙通道芯片）。

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練習(xí)（簡(jiǎn)答題）

練習(xí)（編程題）

蟹蟹

希望這篇文章對(duì)你在基因芯片技術(shù)方面的學(xué)習(xí)有所幫助。

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關(guān)鍵詞：基因

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