第11组生物芯片技术课件.ppt

1、生物芯片技术生物芯片技术l了解生物芯片的功能，及其医学研究领域中的作用，了解生物芯片的功能，及其医学研究领域中的作用，以及生物芯片技术的最新进展。以及生物芯片技术的最新进展。l熟悉生物芯片的种类及其作用，基因芯片、蛋白芯片熟悉生物芯片的种类及其作用，基因芯片、蛋白芯片和微缩芯片实验室的原理及其制备方法。和微缩芯片实验室的原理及其制备方法。l掌握基因芯片的工作原理、制备方法及其在临床诊断掌握基因芯片的工作原理、制备方法及其在临床诊断中的意义。中的意义。第一节第一节 生物芯片概述生物芯片概述一、生物芯片的定义一、生物芯片的定义二、生物芯片的特点及分类二、生物芯片的特点及分类三、生物芯片在医学中的应

2、用概况与前景三、生物芯片在医学中的应用概况与前景一、生物芯片的定义一、生物芯片的定义 指在一块大不上不等（一般约指在一块大不上不等（一般约1 12cm2cm2 2）的载体材）的载体材料上，以大规模阵列的形式排布了不同的生物分子探针，料上，以大规模阵列的形式排布了不同的生物分子探针，形成可与目的靶分子相互作用，并行反应的固相表面。形成可与目的靶分子相互作用，并行反应的固相表面。将芯片与荧光标记的靶分子进行化学反应（如杂交、免将芯片与荧光标记的靶分子进行化学反应（如杂交、免疫反应等），经过激发光扫描后，不同反应强度的标记疫反应等），经过激发光扫描后，不同反应强度的标记荧光将呈现不同的荧光发射谱征。

3、用激光共聚焦显微扫荧光将呈现不同的荧光发射谱征。用激光共聚焦显微扫描仪或描仪或CCDCCD相机收集信号后，经计算机分析数据结果，相机收集信号后，经计算机分析数据结果，从而获得相关的生物信息。从而获得相关的生物信息。生物芯片技术是通过缩微技术，根据分子间特异性地相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。按照芯片上固化的生物材料的不同，可以将生物芯片划分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片。二、生物芯片的特点l高通量、集成化、并行化和微型化高通量、集成化、并行化和微型

4、化生物芯片的分类生物芯片的分类生物芯片生物芯片点阵型芯片点阵型芯片实验室芯片实验室芯片DNADNA芯片芯片蛋白芯片蛋白芯片细胞芯片细胞芯片反应器芯片反应器芯片流体芯片流体芯片纯化芯片纯化芯片三、生物芯片在医学中的应用三、生物芯片在医学中的应用l分子生物学、生物进化分子生物学、生物进化（生物起源及新物种鉴定）（生物起源及新物种鉴定）l生物医学生物医学（新药的筛选与合成，疾病诊断和治疗，如癌症、（新药的筛选与合成，疾病诊断和治疗，如癌症、早年性痴呆症等的病因研究）早年性痴呆症等的病因研究）l农林科学农林科学（农作物育种改良、食品卫生监督、微生物检测）（农作物育种改良、食品卫生监督、微生物检测）l环

5、境科学环境科学l生化武器侦检生化武器侦检l司法鉴定等司法鉴定等基因芯片基因芯片一、基因芯片的原理一、基因芯片的原理二、基因芯片技术二、基因芯片技术三、基因芯片的应用三、基因芯片的应用 基因芯片基因芯片(gene chip)(gene chip)又称又称DNADNA芯片芯片(DNA(DNA chip)chip)或或DNADNA微阵列微阵列(DNA micro-array)(DNA micro-array)。基因。基因是载有生物体遗传信息的基本单位，存在于是载有生物体遗传信息的基本单位，存在于细胞的染色体上。将大量的基因片段有序地、细胞的染色体上。将大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维

6、膜等载体上，高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上，称之为基因芯片。称之为基因芯片。基因芯片发展历史基因芯片发展历史一、基因芯片的原理l基因芯片技术是建立在基因探针和杂交测序技术基因芯片技术是建立在基因探针和杂交测序技术上的一种高效、快速的核酸序列分析手段。上的一种高效、快速的核酸序列分析手段。l基因芯片技术主要包括四个主要步骤：芯片制备、基因芯片技术主要包括四个主要步骤：芯片制备、样品制备、杂交反应和信号检测以及结果分析。样品制备、杂交反应和信号检测以及结果分析。基因芯片研制的总体蓝图基因芯片研制的总体蓝图 图图11-1 11-1 基因芯片技术主要步骤基因芯片技术主要步骤二、基因芯片技术二、基

7、因芯片技术（一）芯片制备（一）芯片制备 1.1.合成探针合成探针 基因组探针基因组探针 cDNA cDNA探针探针 寡核苷酸探针寡核苷酸探针 2.2.探针在载体表面的固定探针在载体表面的固定 固相载体固相载体固体片状：固体片状：主要有玻片、硅片和瓷片等；主要有玻片、硅片和瓷片等；薄膜状：薄膜状：有硝酸纤维素膜、尼龙膜以及聚丙烯膜等。有硝酸纤维素膜、尼龙膜以及聚丙烯膜等。探针在载体表面的固定可分为两大类方法：探针在载体表面的固定可分为两大类方法：l合成后点样，多用于大片段合成后点样，多用于大片段DNADNA，有时也用，有时也用于寡核苷酸，甚至于寡核苷酸，甚至mRNAmRNA。l原位合成（即在支持

8、物表面原位合成寡核苷原位合成（即在支持物表面原位合成寡核苷酸探针），适用于寡核苷酸。酸探针），适用于寡核苷酸。（二）样品制备（二）样品制备 常见的基因芯片实验样品有常见的基因芯片实验样品有DNADNA、mRNA(cDNA)mRNA(cDNA)两种。根据样品来源、基因含两种。根据样品来源、基因含量及检测方法和分析目的不同，采用的基量及检测方法和分析目的不同，采用的基因分离、扩增及标记方法各异。因分离、扩增及标记方法各异。（三）杂交反应（三）杂交反应 杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行的反应产生一系列信息的过程。进行的反应产生一系列信息的过程。l过程类

9、似于一般的杂交法。过程类似于一般的杂交法。l把要杂交的分子的溶液覆盖芯片的探针，用盖把要杂交的分子的溶液覆盖芯片的探针，用盖玻片覆盖，即可杂交。玻片覆盖，即可杂交。（四）（四）信号检测信号检测和分析和分析 在杂交反应完成后，将矩阵插入扫描仪中。在杂交反应完成后，将矩阵插入扫描仪中。主要为荧光法，其重复性较好，不足的是灵主要为荧光法，其重复性较好，不足的是灵敏度仍较低。敏度仍较低。目前正在发展的方法有质谱法、化学发光法、目前正在发展的方法有质谱法、化学发光法、光导纤维法等。光导纤维法等。基因芯片杂交结果要用专用的扫描系基因芯片杂交结果要用专用的扫描系统读取。统读取。B BB BA AC CD D

10、E E放大器放大器数模转数模转换器换器计算机计算机A:A:激光器激光器 B:B:滤光片滤光片 C:C:二色镜二色镜 D:D:反光镜反光镜 E:E:关栅关栅 基因芯片扫描结果基因芯片扫描结果不同的颜色代表一个探针点杂交上的带荧光标记不同的颜色代表一个探针点杂交上的带荧光标记的核酸分子数的差异。红黄绿兰紫的核酸分子数的差异。红黄绿兰紫GENERAL SCANNING三、基因芯片的应用三、基因芯片的应用（一）寻找和发现新基因（一）寻找和发现新基因（二）基因表达分析（二）基因表达分析（三）（三）DNADNA序列测定与序列间比较序列测定与序列间比较（四）突变体和多态性的检测（四）突变体和多态性的检测l表

11、达谱芯片实例表达谱芯片实例PCRPCR法从外周血淋巴细法从外周血淋巴细胞胞cDNAcDNA文库扩增产物文库扩增产物扩增产物点样于扩增产物点样于包被的玻片上包被的玻片上DNADNA芯片芯片热击热击T T细胞细胞cDNAcDNA未处理的未处理的细胞细胞cDNAcDNA 杂交杂交 杂交杂交激光共聚焦扫描激光共聚焦扫描发现发现1717个差异表达基因个差异表达基因,11,11个被热诱导个被热诱导,6,6个个被热抑制被热抑制,发现其中发现其中3 3个为未发现的新基因个为未发现的新基因（五）在疾病诊断的应用（五）在疾病诊断的应用（1 1）感染性疾病的诊断）感染性疾病的诊断 性传播疾病、肝炎等。性传播疾病、肝

12、炎等。（2 2）遗传性疾病的诊断）遗传性疾病的诊断 地中海贫血、婚前检查等。地中海贫血、婚前检查等。（3 3）耐药性检测）耐药性检测 结核分支杆菌耐药性检测芯片等。结核分支杆菌耐药性检测芯片等。生物芯片的优、缺点生物芯片的优、缺点优点：优点：1 1）高通量性：可同时并行分析成千上万种分子。）高通量性：可同时并行分析成千上万种分子。节省时间。节省时间。2 2）微型化，实验所需试剂用量少。）微型化，实验所需试剂用量少。3 3）高度自动化。）高度自动化。缺点：在同一温度下杂交，不同探针杂交效率不同。缺点：在同一温度下杂交，不同探针杂交效率不同。生物芯片于一般分子杂交比较生物芯片于一般分子杂交比较生物

13、芯片生物芯片SouthernSouthern等等信息通量信息通量高，几千高，几千-几十万点几十万点/cm/cm2 2低低自动化程度自动化程度高高低低研究的速度研究的速度快快慢慢实验结果的实验结果的平行性平行性好好低低存在问题存在问题l基因芯片的缺点在于其不能对待检测基因在多细基因芯片的缺点在于其不能对待检测基因在多细胞类型组织中的精确定位进行判断胞类型组织中的精确定位进行判断,在这点上，在这点上，NorthernNorthern也一样，而原位杂交技术可以克服此缺也一样，而原位杂交技术可以克服此缺点。另外很多蛋白质调节其功能不主要是依赖其点。另外很多蛋白质调节其功能不主要是依赖其是否表达或表达量

14、高低，而是依赖蛋白质磷酸化是否表达或表达量高低，而是依赖蛋白质磷酸化-去磷酸化等方式。在这种情况下，用核酸类生物去磷酸化等方式。在这种情况下，用核酸类生物芯片就没有什么意义了，正在研究开发中的蛋白芯片就没有什么意义了，正在研究开发中的蛋白类芯片可能会有所作为的。类芯片可能会有所作为的。l基因芯片技术本身有一些关键问题亟待解决：基因芯片技术本身有一些关键问题亟待解决：(1)(1)基因芯片的特异性的提高基因芯片的特异性的提高(2)(2)样品制备和标记操作的简化样品制备和标记操作的简化(3)(3)增加信号检测的灵敏度增加信号检测的灵敏度(4)(4)高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标记高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标记 及检测仪器的研制和开发。及检测仪器的研制和开发。制约基因芯片技术发展及应用的最主要的因素是制约基因芯片技术发展及应用的最主要的因素是这种技术的成本较为昂贵，目前只有制药公司和少数这种技术的成本较为昂贵，目前只有制药公司和少数研究所才能承受。研究所才能承受。THE END