★基因芯片

基因芯片簡介

隨著人類基因組(測序)計劃的逐步實施以及分子生物學相關學科的迅猛發展，越來越多的動植物、微生物基因組序列得以測定，基因序列數據正在以前所未有的速度迅速增長。然而，怎樣去研究如此眾多基因在生命過程中所擔負的功能就成了全世界生命科學工作者共同的課題。為此，建立新型雜交和測序方法以對大量的遺傳信息進行高效、快速的檢測、分析就顯得格外重要了。

基因芯片(又稱DNA芯片、生物芯片)技術就是順應這一科學發展要求的產物，它的出現為解決此類問題提供了光輝的前景。該技術係指將大量(通常每平方厘米點陣密度高於400)探針分子固定於支持物上後與標記的樣品分子進行雜交，通過檢測每個探針分子的雜交信號強度進而獲取樣品分子的數量和序列信息。早在八十年代，Bains W．等人就將短的DNA片斷固定到支持物上，借助雜交方式進行序列測定。但基因芯片從實驗室走向工業化卻是直接得益於探針固相原位合成技術和照相平板印刷技術的有機結合以及激光共聚焦顯微技術的引入。它使得合成、固定高密度的數以萬計的探針分子切實可行，而且借助激光共聚焦顯微掃描技術使得可以對雜交信號進行實時、靈敏、準確的檢測和分析。正如電子管電路向晶體管電路和集成電路發展時所經曆的那樣，核酸雜交技術的集成化也已經和正在使分子生物學技術發生著一場革命。現在全世界已有十多家公司專門從事基因芯片的研究和開發工作，且已有較為成型的產品和設備問世。主要代表為美國Affymetrix公司。該公司聚集有多位計算機、數學和分子生物學專家，其每年的研究經費在一千萬美元以上，且已曆時六七年之久，擁有多項專例。產品即將或已有部分投放市場，產生的社會效益和經濟效益令人咂舌。

基因芯片技術由於同時將大量探針固定於支持物上，所以可以一次性對樣品大量序列進行檢測和分析，從而解決了傳統核酸印跡雜交(Southern Blotting和Northern Blotting等)技術操作繁雜、自動化程度低、操作序列數量少、檢測效率低等不足。而且，通過設計不同的探針陣列、使用特定的分析方法可使該技術具有多種不同的應用價值，如基因表達譜測定、實變檢測、多態性分析、基因組文庫作圖及雜交測序等。

原理

基因芯片(genechip)的原型是80年代中期提出的。基因芯片的測序原理是雜交測序方法，即通過與一組已知序列的核酸探針雜交進行核酸序列測定的方法，在一塊基片表麵固定了序列已知的八核苷酸的探針。當溶液中帶有熒光標記的核酸序列TATGCAATCTAG，與基因芯片上對應位置的核酸探針產生互補匹配時，通過確定熒光強度最強的探針位置，獲得一組序列完全互補的探針序列。據此可重組出靶核酸的序列。

基因芯片又稱為DNA微陣列(DNA microarray)，可分為3種主要類型：(1)固定在聚合物基片(尼龍膜，硝酸纖維膜等)表麵上的核酸探針或DNA片段，通常用同位素標記的靶基因與其雜交，通過放射顯影技術進行檢測。這種方法的優點是所需檢測設備與目前分子生物學所用的放射顯影技術相一致，相對比較成熟。但芯片上探針密度不高，樣品和試劑的需求量大，定量檢測存在較多問題。

(2)用點樣法固定在玻璃板上的DNA探針陣列，通過與熒光標記的靶基因雜交進行檢測。這種方法點陣密度可有較大的提高，各個探針在表麵上的結合量也比較一致，但在標準化和批量化生產方麵仍有不易克服的困難。

(3)在玻璃等硬質表麵上直接合成的寡核苷酸探針陣列，與熒光標記的靶基因雜交進行檢測。該方法把微電子光刻技術與DNA化學合成技術相結合，可以使基因芯片的探針密度大大提高，減少試劑的用量，實現標準化和批量化大規模生產，有著十分重要的發展潛力。

它是在基因探針的基礎上研製出的，所謂基因探針隻是一段人工合成的堿基序列，在探針上連接一些可檢測的物質，根據堿基互補的原理，利用基因探針到基因混合物中識別特定基因。它將大量探針分子固定於支持物上，然後與標記的樣品進行雜交，通過檢測雜交信號的強度及分布來進行分析。基因芯片通過應用平麵微細加工技術和超分子自組裝技術，把大量分子檢測單元集成在一個微小的固體基片表麵，可同時對大量的核酸和蛋白質等生物分子實現高效、快速、低成本的檢測和分析。

由於尚未形成主流技術，生物芯片的形式非常多。以基質材料分，有尼龍膜、玻璃片、塑料、矽膠晶片、微型磁珠等；以所檢測的生物信號種類分，有核酸、蛋白質、生物組織碎片甚至完整的活細胞；按工作原理分類，有雜交型、合成型、連接型、親和識別型等。由於生物芯片概念是隨著人類基因組的發展一起建立起來的，所以至今為止生物信號平行分析最成功的形式是以一種尼龍膜為基質的“DNA陣列”，用於檢測生物樣品中基因表達譜的改變。