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1 简介
2 基本原理
3 技术应用
简介
随着人类基因组( human genome p roject, HGP) 、多种模式生物(model organism)和部分病原体基因组测序的完成,基因序列数据以前所未有的速度不断增长。传统实验方法已无法系统地获得和诠释日益庞大的基因序列信息,研究者们迫切需要一种新的手段,以便大规模、高通量地研究众多基因在各种生理、病理状态下的多态性及其表达变化,从而揭示它们的功能、相互作用和调控关系。在此背景下, 20世纪80年代末基因芯片( gene chip)技术应运而生,它利用微电子、微机械、生物化学、分子生物学、新型材料、计算机和统计学等多学科的先进技术,实现了在生命科学研究中样品处理、检测和分析过程的连续化、集成化和微型化。近年,基因芯片技术在疾病易感基因发现、疾病分子水平诊断、基因功能确认、多靶位同步超高通量药物筛选以及病原体检测等医学与生物学领域得到广泛应用。
基本原理
基因芯片又称DNA芯片(DNA chip )或DNA微阵列(DNA microarray)。其原理是采用光导原位合成或显微印刷等方法将大量特定序列的探针分子密集、有序地固定于经过相应处理的硅片、玻片、硝酸纤维素膜等载体上,然后加入标记的待测样品,进行多元杂交,通过杂交信号的强弱及分布,来分析目的分子的有无、数量及序列,从而获得受检样品的遗传信息。其工作原理与经典的核酸分子杂交如Southern和Northern印迹杂交一致,都是应用已知核酸序列与互补的靶序列杂交,根据杂交信号进行定性与定量分析。经典杂交方法固定的是靶序列,而基因芯片技术固定的是已知探针,因此基因芯片可被理解为一种反向杂交。基因芯片能够同时平行分析数万个基因,进行高通量筛选与检测分析,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等不足。根据所用探针类型,基因芯片可分为cDNA ( comp lement DNA)芯片和寡核苷酸芯片;根据检测目的又可分为表达谱芯片和单核苷酸多态性( single nucleotide polymorphisms, SNP)芯片。随着芯片技术在其他生命科学领域的延伸,基因芯片概念已泛化到生物芯片,包括基因芯片、蛋白质芯片、糖芯片、细胞芯片、流式芯片、组织芯片和芯片实验室( laboratory on a chip)等。
芯片基片可用材料有玻片、硅片、瓷片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜和尼龙膜,其中以玻片最为常用。为保证探针稳定固定于载体表面,需要对载体表面进行多聚赖氨酸修饰、醛基修饰、氨基修饰、巯基修饰、琼脂糖包被或丙烯酰胺硅烷化,使载体形成具有生物特异性的亲和表面。最后将制备好的探针固定到活化基片上,目前有两种方法:原位合成和合成后微点样。根据芯片所使用的标记物不同,相应信号检测方法有放射性核素法、生物素法和荧光染料法,在以玻片为载体的芯片上目前普遍采用荧光法。相应荧光检测装置有激光共聚焦显微镜、电荷偶合器( charge coup led devices, CCD)、激光扫描荧光显微镜和激光共聚焦扫描仪等。其中的激光共聚焦扫描仪已发展为基因芯片的配套检测系统。经过芯片扫描提取杂交信号之后,在数据分析之前,首先要扣除背景信号,进行数据检查、标化和校正,消除不同实验系统的误差。对于简单的检测或科学实验,因所需分析基因数量少,故直接观察即可得出结论。若涉及大量基因尤其是进行表达谱分析时,就需要借助专门的分析软件,运用统计学和生物信息学知识进行深入、系统的分析,如主成分分析、分层聚类分析、判别分析和调控网络分析等。芯片数据分析结束并不表示芯片实验的完成,由于基因芯片获取的信息量大,要对呈数量级增长的实验数据进行有效管理,需要建立起通行的数据储存和交流平台,将各实验室获得的实验结果集中起来形成共享的基因芯片数据库,以便于数据的交流及结果的评估。
技术应用
在疟原虫研究中的应用
基因芯片技术的出现有力地促进了人们对疟原虫生物学的认识。早在2000年,恶性疟原虫的基因组测序尚未完成, Hayward等根据恶性疟原虫绿豆核酸酶基因文库, 制成“鸟枪”DNA ( shotgunDNA)芯片,分析了疟原虫滋养体和配子体之间的基因表达差异,为疟原虫发育阻断剂和疫苗研究提供了有益线索。恶性疟原虫全基因组测序完成后,疟原虫高通量表达谱芯片的应用得到进一步推广。为阐明疟原虫发育的分子调节机制,多位研究者以cDNA或寡核苷酸为探针制成芯片,比较分析疟原虫不同发育周期的基因表达变化。如Le Roch等比较了恶性疟原虫红细胞内各发育阶段2号染色体上转录组的差异。Ben Mamoun 和Isokpehi等研究了恶性疟原虫红细胞内各发育阶段的基因表达变化。Bozdech等分析了恶性疟原虫裂殖子与滋养体表达谱的差异。Young等则观察了恶性疟原虫配子体Ⅰ～Ⅳ期转录组的变化。此外,Vontas等还利用芯片技术分析了伯氏疟原虫动合子及其早期卵囊体外培养的基因表达差异。
基因芯片技术也可用于比较不同种或同种不同株疟原虫的基因表达差异, Ganesan等利用芯片研究了恶性疟原虫Dd2 和HB3 株基因表达差异。Hall等比较了伯氏、夏氏、约氏和恶性疟原虫的基因表达差异。Gissot等利用芯片技术分析了红内期不同时点恶性疟原虫3D7株及F12株之间表达谱的差异,并发现了影响配子体生成的候选基因。近年,基因芯片在疟原虫研究中的应用范围进一步拓宽,研究内容涵盖疟原虫新基因发现、疫苗靶标筛选、转录因子调控网络、疟原虫适应人体宿主机制、疟原虫比较基因组杂交分析、恶性疟原虫抗原变异分子机制以及疟原虫攻击红细胞机制等。总之基因芯片技术正逐步成为疟原虫分子生物学研究的有力工具。
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