第十三章 DNA 芯片技术

第一节 概 述

一、 DNA 芯片技术的概念

基因芯片 (Gene chip) 技术是指通过微阵列 (Microarray) 技术将高密度 DNA 片段阵列通过高速机器人或原位合成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 DNA探针，借助碱基互补杂交原理，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。

DNA Chip Technology

Solid support (glass, plastic, metal, silicon)Miniaturized array of DNA (genetic material)Work on the biochemical principle of DNA/DNA hybri

dizationHybridized probes (DNA molecules) are fluorescently l

abeled

通常用计算机硅芯片作为固相支持物，所以称为 DNA 芯片 。

DNA 芯片为生物芯片的一种：生物芯片包括：

DNA 芯片蛋白质芯片其它芯片

按用途分– 样品制备芯片– 生化反应芯片– 检测芯片

芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标

基因芯片发展历史基因芯片发展历史

Southern & Northern Southern & Northern BlotBlot

Dot Dot BlotBlot

MacroarrayMacroarray

MicroarrayMicroarray

二、 DNA 芯片的主要类型

按制备方式分：原位合成芯片：采用显微光蚀刻等技术

在特定部位原位合成寡核苷酸而制备的芯片。探针较短

DNA 微集阵列：将预先制备的 DNA 片段以显微打印的方式有序地固化于支持物表面而制成的芯片。探针的来源较灵活

Comparison of DNA Chip Technologies

Sensitivity of DNA chip based assays is a function of:– Probe and target DNA/RNA (Complexity)– Chip surface (autofluorescence & non-spec. bkg)– Attachment chemistry/methodology (hyb. efficiency & crosshyb.)– Hybridization efficiency (lots of factors)– Detection technology (signal type, efficiency, noise)

Oligo-ChipOligo-Chip cDNA-Chip cDNA-Chip Genomic Chi Genomic Chipp

8 n or 20 n < 2,000 n > 50,000 n8 n or 20 n < 2,000 n > 50,000 n

sequencingsequencing expressionexpression expressionexpression genomic analysisgenomic analysis

第二节 DNA 芯片技术的基本原理与方法

一、芯片的制备

（一）支持物的预处理实性材料：硅芯片、玻片和瓷片

需进行预处理，使其表面衍生出羟基、氨基活性基团。

膜性材料：聚丙烯膜、尼龙膜、硝酸纤维膜通常包被氨基硅烷或多聚赖氨酸

（二）原位合成芯片的制备1. 显微光蚀刻技术

支持物表面活性基团连接有光敏保护基团（ X ）受到保护。

产率较低

原位合成 (In Situ Synthesis)

Light directed oligonucleotide synthesis.

A solid support is derivatized with a covalent linker molecule terminated with a photolabile protecting group. Light is directed through a mask to deprotect and activate selected sites, and protected nucleotides couple to the activated sites. The process is repeated, activating different sets of sites and coupling different bases allowing arbitrary DNA probes to be constructed at each site.

2. 压电打印法 压电毛细管喷射器产率较高

喷墨打印技术

Removable TipOrifice

High-SpeedMicroSolenoidValveSyringe

Pump

SwitchingValve

Reservoir

ConnectingTubing

Controller

（三） DNA 微集阵列的制备方式：预先合成 DNA 或制备基因探针然后

打印到芯片上1. 探针的制备

已克隆的基因片段PCR ， RT-PCR 扩增的基因片段人工合成的 DNA 片段

单链、双链、 DNA 或 RNA 均可作为探针

2. 打印喷墨打印（非接触式点样）

优点、缺点针式打印（接触式点样）

优点、缺点

针式打印法（接触式点样）

Best!Best!

3. 探针的固化打印探针后，需要将其固定在支持物表

面，同时也要封闭支持物上未打印区域以防止核酸样品的非特异性固定

二、样品的准备

样品的分离纯化DNA , mRNA

扩增PCR, RT—PCR ，固相 PCR

标记等过程荧光标记（常用 Cy3 、 Cy5 ），生物素、放

射性标记

三、分子杂交样品与 DNA 芯片上的探针阵列进行杂交。

与经典分子杂交的区别：1. 杂交时间短， 30 分钟内完成2. 可同时平行检测许多基因序列影响杂交反应的因素：盐浓度、温度、反应时间、 DNA 二级结构

肽核酸 ( peptide nucleic acid , PNA)——是一类以氨基酸替代糖 -磷酸主链的 DNA 类似物，骨架由重复的 N-甘氨酸通过酰胺键相连构成，碱基则通过甲叉碳酰基与骨架相连。

1. PNA 分子内不会形成二级、三级结构2. DNA 与 PNA 杂交不需要盐离子

四、检测分析1. 激光激发使含荧光标记的 DNA 片段发

射荧光2. 激光扫描仪或激光共聚焦显微镜采集各杂交点的信号

3. 软件进行进行图象分析和数据处理

Research Use——From Sequence to function

计算 Ratio 值 (= Cy3/Cy5) 。在 0.5-2.0 之外的定义为在两样本中有明显差异表达。进而获取初步功能信息。

Clustering 。

第三节 DNA 芯片技术的应用

DNA 测序；杂交测序（ SBH ）基因表达分析：基因组研究：作图、测序、基因鉴定、基

因功能分析基因诊断：寻找和检测与疾病相关的基因

及在 RNA水平上检测致病基因的表达药物研究与开发：

cDNA microarray expression patterns

of small (S) and large (L) neurons

应用之一 —— 基因表达谱（ gene expression pattern)

BiologicalBiologicalSampleSample

FunctionalFunctional InformationInformation

红色 上调

黄色 不变

绿色 下调

基因表达谱芯片的应用最为广泛，技术上也最成熟。这种芯片可以检测整个基因组范围的众多基因在 mRNA 表达水平的变化。它能对来源于不同个体、不同组织、不同细胞周期、不同发育阶段、不同分化阶段、不同生理病理、不同刺激条件下的组织细胞内基因表达情况进行对比分析。从而对基因群在个体特异性、组织特异性、发育特异性、分化特异性、疾病特异性、刺激特异性的变化特征和规律进行描述，

进一步阐明基因的相互协同、抑制、互为因果等关系。有助于理解基因及其编码的蛋白质的生物学功能，并从已知生物学功能的基因推论未报道基因的生物学意义。同时，还可在基因水平上解释疾病的发病机理，为疾病诊断、药效跟踪、用药选择等提供有效手段。

急性白血病、黑色素瘤、卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌、肝癌等表达谱芯片的研究。

基因芯片的优点：1. 高通量2. 大规模3. 高度平行性4. 快速高效5. 高灵敏度6. 高度自动化