微陣列分析導(dǎo)論課件

1、微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件生物芯片原理與技術(shù)生物芯片原理與技術(shù)微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件課程學(xué)時(shí)安排課程學(xué)時(shí)安排u學(xué)時(shí)：50學(xué)時(shí)u安排：講課34學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)u學(xué)分：3分u成績(jī)：考試占70，實(shí)驗(yàn)和出勤占30微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件生物芯片相關(guān)書籍 et al. 2005微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件在許多情況下，生物在許多情況下，生物學(xué)問(wèn)題最終的解決都學(xué)問(wèn)題最終的解決都源于技術(shù)上的突破。源于技術(shù)上的突破。 Mark Schena 微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件 本書共分為十六章，分屆于三大部本書共分為十六章，分屆于三大部分，第一部分為分，第一部分

2、為基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，包括概述、，包括概述、微陣列基因芯片制備和檢測(cè)技術(shù)以及統(tǒng)微陣列基因芯片制備和檢測(cè)技術(shù)以及統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)；第二部分內(nèi)容是計(jì)學(xué)基礎(chǔ)；第二部分內(nèi)容是數(shù)據(jù)處理方數(shù)據(jù)處理方法法，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、圖像的獲得和數(shù)據(jù)，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、圖像的獲得和數(shù)據(jù)的前處理、數(shù)據(jù)的須處理和歸一化、差的前處理、數(shù)據(jù)的須處理和歸一化、差異表達(dá)基因分析、芯片數(shù)據(jù)的可靠性分異表達(dá)基因分析、芯片數(shù)據(jù)的可靠性分析、聚類分析和可視化以及微陣列實(shí)驗(yàn)析、聚類分析和可視化以及微陣列實(shí)驗(yàn)中的分類方法；第三部分主要是與中的分類方法；第三部分主要是與數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)挖掘和應(yīng)用挖掘和應(yīng)用相關(guān)的內(nèi)容，包括微陣列技相關(guān)的內(nèi)容，包括微陣列技術(shù)的標(biāo)難化、基

3、因芯片數(shù)據(jù)的基因注釋術(shù)的標(biāo)難化、基因芯片數(shù)據(jù)的基因注釋和功能分析、系統(tǒng)生物學(xué)及基因調(diào)控網(wǎng)和功能分析、系統(tǒng)生物學(xué)及基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、基因芯片技術(shù)的應(yīng)用絡(luò)、基因芯片技術(shù)的應(yīng)用從基因篩從基因篩選到臨床診斷、主要數(shù)據(jù)分析軟件的介選到臨床診斷、主要數(shù)據(jù)分析軟件的介紹和展望。紹和展望。微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件芯片打印儀芯片打印儀微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件芯片雜交儀芯片雜交儀微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件芯片掃描儀芯片掃描儀微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件生物芯片技術(shù)簡(jiǎn)介u 每個(gè)組織和細(xì)胞中包含各種生物大分子，如蛋白質(zhì)、DNA和RNA，為了解生物大分子與生命現(xiàn)象的關(guān)系，需要研究生

4、物中所有不同種類蛋白質(zhì)和核酸的功能，而傳統(tǒng)檢測(cè)方法一次只能檢測(cè)一個(gè)生物大分子，生物芯片技術(shù)提供了高通量檢測(cè)生物大分子的方法。u生物芯片生物芯片：把生物活性大分子（如蛋白質(zhì)和核酸）或細(xì)胞等，密集排列在固定的固相載體上，形成微型的檢測(cè)器件，固相載體通常是硅片、玻片、聚丙烯或尼龍膜等。u 狹義：微陣列芯片，主要包括cDNA微陣列、寡核苷酸微陣列、蛋白質(zhì)微陣列和小分子化合物微陣列等u 廣義：能對(duì)生物成分或生物分子進(jìn)行快速并行處理和分析的厘米見(jiàn)方的固體薄型器件，主要還包括微流體芯片和“芯片實(shí)驗(yàn)室”。微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件生物芯片主要特點(diǎn)u 微型化u 自動(dòng)化u 網(wǎng)絡(luò)化微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列

5、分析導(dǎo)論課件生物芯片類型u基因芯片gene chipu蛋白質(zhì)芯片protein chipu組織芯片tissue microarrayu微流體芯片和縮微芯片實(shí)驗(yàn)室微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列微陣列(microarray):(microarray):是一種平面的基質(zhì)載體，它是一種平面的基質(zhì)載體，它上面規(guī)則地、特異性地吸附著基因或基因產(chǎn)物。上面規(guī)則地、特異性地吸附著基因或基因產(chǎn)物。細(xì)胞細(xì)胞什么是微陣列？什么是微陣列？微陣列芯片微陣列芯片 基因表達(dá)資料基因表達(dá)資料mRNA對(duì)對(duì)mRNA進(jìn)行標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)記雜交雜交定量定量微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件How?靶標(biāo)靶標(biāo)標(biāo)記探針標(biāo)記探針gen

6、emRNA微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析u 微陣列分析（microarray analysis):利用微陣列芯片通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)步驟來(lái)研究生物、化學(xué)及物理方面的問(wèn)題。u在微陣列分析中，從細(xì)胞中抽提得到mRNA，把mRNA進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后和含有基因序列的玻璃芯片進(jìn)行雜交。芯片上每個(gè)點(diǎn)能和雜交液中的熒光標(biāo)記的特異性cDNA雜交，使得每個(gè)點(diǎn)的熒光信號(hào)和基因表達(dá)的豐度成正相關(guān)。u能夠在基因組規(guī)模上對(duì)基因表達(dá)譜、患者基因型、藥物代謝、疾病的發(fā)生和進(jìn)展過(guò)程進(jìn)行快速和定量的分析。u應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、食品微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列的起源u生物芯片是隨人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)和實(shí)施應(yīng)

7、運(yùn)而生；u1991年Fodor等人首先提出DNA芯片的概念；u1991年Affymetrix率先生產(chǎn)世界上第一塊基因芯片；u1995年第一塊以玻璃為載體的基因芯片在美國(guó)斯坦福大學(xué)P.O.Brown實(shí)驗(yàn)室誕生，由Schena及其同事研究出來(lái)的。目的是研究擬南芥的轉(zhuǎn)錄因子，從而快速而準(zhǔn)確的研究植物的基因表達(dá)過(guò)程，標(biāo)志著生物芯片技術(shù)步入廣泛研究和應(yīng)用時(shí)期；u生物芯片技術(shù)已成為功能基因組研究中最基本的實(shí)驗(yàn)手段微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件基因芯片技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展uDNA體外聚合u重組DNA技術(shù)uPCR（聚合酶鏈反應(yīng)）技術(shù)uDNA雜交技術(shù)微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列

8、分析導(dǎo)論課件核酸分子固相雜交方法u菌落原位雜交（Colony in situ hybridization）uSouthern印跡雜交（Southern blot）uNorthern印跡雜交（Northern blot）u斑點(diǎn)雜交（Dot blot）u組織原位雜交（Tissue in situ hybridization）u反向雜交，基因芯片的前身微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件探針u探針標(biāo)記 放射性同位素標(biāo)記，125I、32P、33P和35Su非放射性標(biāo)記 熒光法，化學(xué)發(fā)光法，電化學(xué)發(fā)光法，生物發(fā)光，顯色法u探針?lè)N類（Probe type） 基因組探針 cDNA探針 寡聚核苷酸探針（Oli

9、go）微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件探針的來(lái)源探針的來(lái)源uDNA探針根據(jù)其來(lái)源有3種：u一種來(lái)自基因組中有關(guān)的基因本身，稱為基因組探針（genomic probe）；u另一種是從相應(yīng)的基因轉(zhuǎn)錄獲得了mRNA，再通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄得到的探針，稱為cDNA 探針（ cDNA probe）。與基因組探針不同的是，cDNA探針不含有內(nèi)含子序列。u此外，還可在體外人工合成堿基數(shù)不多的與基因序列互補(bǔ)的DNA片段，稱為寡核苷酸探針。 微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列是如何定義的？u 微陣列必須符合：有規(guī)則的；顯微尺度的；平面的；特異性的。微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件 吸附在玻璃基片上的靶標(biāo)吸

10、附在玻璃基片上的靶標(biāo)DNA分子。單鏈的靶標(biāo)分子。單鏈的靶標(biāo)DNA分子和溶液中分子和溶液中熒光素標(biāo)記的探針發(fā)生雜交結(jié)合，使得芯片上的點(diǎn)呈現(xiàn)出熒光信號(hào)，信熒光素標(biāo)記的探針發(fā)生雜交結(jié)合，使得芯片上的點(diǎn)呈現(xiàn)出熒光信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的基因表達(dá)水平成正相關(guān)，熒光信號(hào)的強(qiáng)度按照彩色模號(hào)的強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的基因表達(dá)水平成正相關(guān)，熒光信號(hào)的強(qiáng)度按照彩色模式來(lái)賦予不同的顏色，基因的表達(dá)情況能夠通過(guò)檢測(cè)芯片上不同位置的式來(lái)賦予不同的顏色，基因的表達(dá)情況能夠通過(guò)檢測(cè)芯片上不同位置的熒光信號(hào)來(lái)定量。熒光信號(hào)來(lái)定量。微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件規(guī)則的微陣列 規(guī)則的陣列是指陣列上待分析的單元按照行和列的方式進(jìn)行排列的

11、集合規(guī)則的陣列是指陣列上待分析的單元按照行和列的方式進(jìn)行排列的集合 微陣列上的點(diǎn)按照行和列規(guī)則地排列而非無(wú)規(guī)則排列；點(diǎn)的大小和點(diǎn)間微陣列上的點(diǎn)按照行和列規(guī)則地排列而非無(wú)規(guī)則排列；點(diǎn)的大小和點(diǎn)間距均一而非不均一；點(diǎn)的位置明確而非模棱兩可。距均一而非不均一；點(diǎn)的位置明確而非模棱兩可。微陣列定義微陣列定義微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件顯微尺度的點(diǎn)u顯微尺度（microscopic):是一個(gè)物體若沒(méi)有顯微鏡的幫助，不能清楚地被看見(jiàn)。一般以小于1mm為界。u微陣列：光引導(dǎo)原位合成的點(diǎn)：1530m 點(diǎn)制的點(diǎn)：50350m 組織芯片的點(diǎn)：200600m微陣列定義微陣列定義微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)

12、論課件平面基片u平面基片是像玻璃、塑料、硅片一樣平行不能彎曲的基質(zhì)載體。玻片是微陣列中用得最為廣泛的基質(zhì)載體。u非平面基片：尼龍膜、硝酸纖維素膜等。u平坦的表面優(yōu)點(diǎn)：適合大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)；為光掩膜、接觸式針點(diǎn)樣、噴墨式非接觸點(diǎn)樣和其它制備工序提供了精密的距離，確保制備微陣列的高質(zhì)量；使掃描和成像變得容易。微陣列定義微陣列定義微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件特異性吸附u 微陣列上的每一個(gè)點(diǎn)能與標(biāo)記好的探針混合物中的一種分子發(fā)生吸附，才能對(duì)此基因或基因產(chǎn)物進(jìn)行精確的檢測(cè)微陣列定義微陣列定義微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件u探針混合物中一種標(biāo)記好的探針?lè)肿幽芎蚦DNA微陣列芯片上唯一的一個(gè)c

13、DNA靶標(biāo)進(jìn)行雜交，或者與寡聚核昔酸微陣列芯片上的一組相應(yīng)的寡聚核苷酸進(jìn)行雜交。含有短的寡聚核苷酸陣列上的靶標(biāo)和單一的探針?lè)肿与s交時(shí)常會(huì)產(chǎn)生不能分辨的多個(gè)雜交信號(hào)。微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列的類別微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 每次微陣列分析實(shí)驗(yàn)應(yīng)該包括陽(yáng)性對(duì)照、陰性對(duì)照和陽(yáng)性對(duì)照、陰性對(duì)照和實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)驗(yàn)對(duì)象u陽(yáng)性對(duì)照陽(yáng)性對(duì)照是指在微陣列上的點(diǎn)，不管實(shí)驗(yàn)對(duì)象得到的是什么樣的結(jié)果，這些點(diǎn)都能產(chǎn)生可按識(shí)別的信號(hào)。陽(yáng)性對(duì)照產(chǎn)生的可識(shí)別信號(hào)極大地改善了評(píng)估實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，特別在實(shí)驗(yàn)對(duì)象得到陰性結(jié)果時(shí)尤顯突出。陽(yáng)性對(duì)照得到了強(qiáng)烈信號(hào)后，就能排除對(duì)實(shí)驗(yàn)失敗的錯(cuò)誤解釋，例如可排

14、除問(wèn)題出在雜交、清洗、掃描或數(shù)據(jù)分析的步驟上。只有陽(yáng)性對(duì)照中也末產(chǎn)生可識(shí)別的信號(hào)，才能對(duì)微陣列分析的陰性結(jié)果下一個(gè)確切的結(jié)論。微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件u 陰性對(duì)照陰性對(duì)照是指在微陣列上的點(diǎn)，不管實(shí)驗(yàn)對(duì)象得到的是什么樣的結(jié)果，這些點(diǎn)都不能產(chǎn)生信號(hào)。陰性對(duì)照能排除或減小非特異性反應(yīng)(如染色和交叉雜交)帶來(lái)的信號(hào)而增加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度。若分析時(shí)沒(méi)有陰性對(duì)照做參考而對(duì)微陣列分析實(shí)驗(yàn)下結(jié)論是一件很冒險(xiǎn)的事。u實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)驗(yàn)對(duì)象是指在實(shí)驗(yàn)中要尋找的新信息。這些信息包括基因表達(dá)譜、基因型、其他生物過(guò)程或途徑。微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件Expressio

15、n profiling with DNA microarrayscDNA “A”Cy5 labeledcDNA “B”Cy3 labeledHybridizationScanningLaser 1 Laser 2+AnalysisImage Capture微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件A yellow spot a gene that hybridized to both green and red cDNA: expressed both in healthy cells and cancer cells!微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 生物學(xué)問(wèn)題生物學(xué)問(wèn)題“根和葉的基因

16、根和葉的基因表達(dá)有和不同？表達(dá)有和不同？” 樣品制備樣品制備mRNA分離、探針標(biāo)記、分離、探針標(biāo)記、PCR、微陣列點(diǎn)制、微陣列點(diǎn)制生化反應(yīng)生化反應(yīng) 雜交、基片處理、雜交、基片處理、 封閉、清洗封閉、清洗檢測(cè)檢測(cè)選擇熒光通道、激光選擇熒光通道、激光設(shè)置、生成圖像設(shè)置、生成圖像數(shù)據(jù)分析和建立模型數(shù)據(jù)分析和建立模型數(shù)據(jù)定量、計(jì)算比率、數(shù)據(jù)定量、計(jì)算比率、聚類分析聚類分析微微陣陣列列分分析析的的五五個(gè)個(gè)步步驟驟微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件基因芯片的數(shù)據(jù)挖掘微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析的一些應(yīng)用u發(fā)育u人類疾病u藥物研發(fā)u遺傳篩選和診斷微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件 微陣

17、列分析能用于檢測(cè)不同組織中的基因表達(dá)譜。微陣列分析能用于檢測(cè)不同組織中的基因表達(dá)譜?；虮磉_(dá)的信號(hào)強(qiáng)度按照彩虹圖模式來(lái)顯示，高水平表基因表達(dá)的信號(hào)強(qiáng)度按照彩虹圖模式來(lái)顯示，高水平表達(dá)用紅色表示，低水平用黑色表示。達(dá)用紅色表示，低水平用黑色表示。微陣列分析應(yīng)用微陣列分析應(yīng)用發(fā)育發(fā)育微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析應(yīng)用微陣列分析應(yīng)用人類疾病人類疾病 正常人和阿爾茨海默癥患者的腦組織樣品用微陣列正常人和阿爾茨海默癥患者的腦組織樣品用微陣列技術(shù)進(jìn)行定量分析后顯示了一個(gè)在患者腦組織中表達(dá)技術(shù)進(jìn)行定量分析后顯示了一個(gè)在患者腦組織中表達(dá)上調(diào)的基因。這個(gè)基因可能與疾病的發(fā)生有關(guān)。上調(diào)的基因。這個(gè)

18、基因可能與疾病的發(fā)生有關(guān)。微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析應(yīng)用微陣列分析應(yīng)用藥物研發(fā)藥物研發(fā) 疾病發(fā)生伴隨著一個(gè)基因被激活和兩個(gè)基因受抑制。用疾病發(fā)生伴隨著一個(gè)基因被激活和兩個(gè)基因受抑制。用A藥物處理后，變化異常的基因回復(fù)到正常水平。用藥物處理后，變化異常的基因回復(fù)到正常水平。用B藥物藥物處理后，原來(lái)變化異常的基因表達(dá)也回復(fù)到正常水平，但處理后，原來(lái)變化異常的基因表達(dá)也回復(fù)到正常水平，但又兩個(gè)新的基因受到抑制，預(yù)示又兩個(gè)新的基因受到抑制，預(yù)示B藥物可能存在副作用藥物可能存在副作用微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件總結(jié)u微陣列分析是20世紀(jì)90年代早期發(fā)展的一項(xiàng)革命性新技術(shù)。該技術(shù)使用了微型化（微陣列芯片）來(lái)對(duì)基因和基因產(chǎn)物做定量的分析。有較高的分析速度和較好的分析精度，可一次分析人的整個(gè)基因組，在10min內(nèi)定量獲得3萬(wàn)多個(gè)基因的表達(dá)情況。u其發(fā)展歷史可追溯到20世紀(jì)50年代，期間包括發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶、重組DNA技術(shù)和PCR技術(shù)。u具有網(wǎng)絡(luò)化、微型化和自動(dòng)化特點(diǎn)。u主要包括五個(gè)步驟。u可用于發(fā)育、人類疾病、藥物發(fā)現(xiàn)、診斷等研究。微陣列分析導(dǎo)論課件微陣列分析導(dǎo)論課件CGH比較基因組雜交技術(shù)u是一種將消減雜交、熒光染色體原位雜交（fluorescence in