基因芯片對生物學研究進展的影響

1、生物芯片的應用簡介生物芯片的應用簡介雷安民雷安民西北農(nóng)林科技大學西北農(nóng)林科技大學 . .干細胞研究中心干細胞研究中心西北農(nóng)林科技大學西北農(nóng)林科技大學 . .動物醫(yī)學院動物醫(yī)學院對基礎學科發(fā)展的影響對基礎學科發(fā)展的影響芯片技術(shù)用于基因序列測定芯片技術(shù)用于基因序列測定 第一代的雜交測序；第一代的雜交測序； 第二代的合成測序第二代的合成測序-單單/四核苷酸循環(huán)；四核苷酸循環(huán)； 第三代的納米芯片測序技術(shù)；第三代的納米芯片測序技術(shù)；傳統(tǒng)的基因測序方法 測序時分成四個單獨的反應測序時分成四個單獨的反應，每個反應除上述成分外分別加入2,3-雙脫氧的a, c, g, t核苷三磷酸(稱為ddatp, ddctp

2、, ddgtp, ddttp), 然后進行聚合反應。在聚合反應過程中，ddntp 和dntp會隨機性的結(jié)合，一旦ddntp加入了新合成的dna鏈, 由于其3位的羥基變成了氫,不能形成磷酸二酯鍵，所以不能繼續(xù)延伸。由此產(chǎn)生a，t，c，g四組不同長度的一系列核苷酸，然后在尿素變性的page膠上電泳進行檢測，從而獲得dna 序列。 尿素變性的page電泳膠雜交測序原理雜交測序原理雜交測序原理示意圖雜交測序原理示意圖新一代的測序原理新一代的測序原理第一步，基因組被打斷為第一步，基因組被打斷為100-200bps的片段的片段每個片段被接上接頭序列每個片段被接上接頭序列接頭后的片段在片基上固定接頭后的片段

3、在片基上固定對應鏈的邊合成邊測序?qū)湹倪吅铣蛇厹y序新型納米孔測序法（新型納米孔測序法（nanopore sequencing）是采用電）是采用電泳技術(shù)，借助電泳驅(qū)動單個分子逐一通過納米孔來實現(xiàn)測泳技術(shù)，借助電泳驅(qū)動單個分子逐一通過納米孔來實現(xiàn)測序的。由于納米孔的直徑非常細小，僅允許單個核酸聚合序的。由于納米孔的直徑非常細小，僅允許單個核酸聚合物通過，因而可以在此基礎上使用多種方法來進行高通量物通過，因而可以在此基礎上使用多種方法來進行高通量檢測。此外，納米級別的孔徑保證了檢測具有良好的持續(xù)檢測。此外，納米級別的孔徑保證了檢測具有良好的持續(xù)性，所以測序的準確度非常高。對于長達性，所以測序的準確

4、度非常高。對于長達1,000個堿基的個堿基的單鏈單鏈dna分子、分子、rna分子或者更短的核酸分子而言，根分子或者更短的核酸分子而言，根本無需進行擴增或標記就可以使用納米孔測序法進行檢測，本無需進行擴增或標記就可以使用納米孔測序法進行檢測，這使得便宜、快速地進行這使得便宜、快速地進行dna測序成為可能。如果對現(xiàn)測序成為可能。如果對現(xiàn)有納米孔測序法進行進一步發(fā)展和改進，那么它將有望成有納米孔測序法進行進一步發(fā)展和改進，那么它將有望成為第三代測序技術(shù)（也可稱為下、下一代測序技術(shù)），從為第三代測序技術(shù)（也可稱為下、下一代測序技術(shù)），從而幫助人們實現(xiàn)而幫助人們實現(xiàn)24小時內(nèi)只花費小時內(nèi)只花費1,000

5、美元完成二倍體哺美元完成二倍體哺乳動物基因組測序這一目標。乳動物基因組測序這一目標。 2008年開始的第三代測序技術(shù)則是基于納米孔年開始的第三代測序技術(shù)則是基于納米孔的單分子讀取技術(shù)，這種方法讀取數(shù)據(jù)更快、有的單分子讀取技術(shù)，這種方法讀取數(shù)據(jù)更快、有望大大降低測序成本，改變個人醫(yī)療的前景。第望大大降低測序成本，改變個人醫(yī)療的前景。第三代測序技術(shù)的基本原理是在納米孔中配置納米三代測序技術(shù)的基本原理是在納米孔中配置納米電極，用電測方法測量一個電極，用電測方法測量一個dna的核酸堿基排列。的核酸堿基排列。但是電測識別一個分子的技術(shù)開發(fā)極其困難，因但是電測識別一個分子的技術(shù)開發(fā)極其困難，因此尚未有驗證

6、該原理的實例。此尚未有驗證該原理的實例。 孔道蛋白：是金黃色葡萄球菌孔道蛋白：是金黃色葡萄球菌溶血素；溶血素； 納米孔道的電位測量；納米孔道的電位測量；表達譜芯片的應用表達譜芯片的應用組織芯片組織芯片蛋白質(zhì)芯片蛋白質(zhì)芯片, , 又稱蛋白質(zhì)陣列或蛋白質(zhì)微陣列，又稱蛋白質(zhì)陣列或蛋白質(zhì)微陣列，是指以蛋白質(zhì)分子作為配基是指以蛋白質(zhì)分子作為配基, ,將其有序地固定在將其有序地固定在固相載體的表面形成微陣列；用標記了熒光的固相載體的表面形成微陣列；用標記了熒光的蛋白質(zhì)或其他它分子與之作用，洗去未結(jié)合的蛋白質(zhì)或其他它分子與之作用，洗去未結(jié)合的成分，經(jīng)熒光掃描等檢測方式測定芯片上各點成分，經(jīng)熒光掃描等檢測方式

7、測定芯片上各點的熒光強度，來分析蛋白之間或蛋白與其它分的熒光強度，來分析蛋白之間或蛋白與其它分子之間的相互作用關(guān)系。子之間的相互作用關(guān)系。研究蛋白質(zhì)芯片的意義研究蛋白質(zhì)芯片的意義蛋白質(zhì)檢測芯片蛋白質(zhì)檢測芯片蛋白質(zhì)功能芯片蛋白質(zhì)功能芯片 蛋白質(zhì)芯片的分類蛋白質(zhì)芯片的分類蛋白質(zhì)芯片的制備蛋白質(zhì)芯片的制備蛋白質(zhì)芯片檢測蛋白質(zhì)芯片檢測 探針標記檢測法探針標記檢測法 無探針標記檢測法無探針標記檢測法p表面增強激光解吸離子化技術(shù)表面增強激光解吸離子化技術(shù)(surface enhanced laser desorption/ionization, seldi)p表面等離子體共振檢測技術(shù)表面等離子體共振檢測技

8、術(shù)（surface plasmon resonance, spr）p原子力顯微鏡檢測技術(shù)原子力顯微鏡檢測技術(shù)（atomic force microscope, afm ）p同位素標記檢測同位素標記檢測p熒光標記檢測熒光標記檢測p化學發(fā)光檢測化學發(fā)光檢測p酶免疫標記檢測酶免疫標記檢測p膠體金標記檢測膠體金標記檢測蛋白質(zhì)芯片的應用蛋白質(zhì)芯片的應用u疾病診斷和預警疾病診斷和預警u藥物開發(fā)藥物開發(fā)u蛋白質(zhì)組學蛋白質(zhì)組學 定量檢測組織提取液中的腫瘤標記物定量檢測組織提取液中的腫瘤標記物孵育后的微陣列熒光圖孵育后的微陣列熒光圖 a 含抗原含抗原 b 無抗原無抗原微陣列方法與微陣列方法與elisa方法檢出結(jié)

9、果比較方法檢出結(jié)果比較疾病診斷疾病診斷upa 尿激酶型纖溶酶原激活因子尿激酶型纖溶酶原激活因子pai-1血漿纖溶酶原激活因子抑制因子血漿纖溶酶原激活因子抑制因子vegf 血管內(nèi)皮生長因子血管內(nèi)皮生長因子高通量篩選蛋白高通量篩選蛋白- -蛋白作用抑制劑蛋白作用抑制劑藥物開發(fā)藥物開發(fā)a 1500 個點陣的微陣列個點陣的微陣列b 局部點陣放大圖及局部點陣放大圖及spr信號信號his6-rb/gst-e7相互作用抑相互作用抑制劑篩選微陣列圖制劑篩選微陣列圖加入加入his6-rb加入含加入含 pepc抑制劑的抑制劑的his6-rb（1 1）疾病的蛋白質(zhì)組研究）疾病的蛋白質(zhì)組研究 通過比較正常與病理條件下

10、細胞或組織中蛋白質(zhì)在表達量上通過比較正常與病理條件下細胞或組織中蛋白質(zhì)在表達量上的差異，可以發(fā)現(xiàn)與病理改變有關(guān)的蛋白質(zhì)和疾病特異性蛋的差異，可以發(fā)現(xiàn)與病理改變有關(guān)的蛋白質(zhì)和疾病特異性蛋白。作為疾病診斷的生物標志物，認識發(fā)病機制，為早期診白。作為疾病診斷的生物標志物，認識發(fā)病機制，為早期診斷治療和預防提供線索，對疾病進程進行監(jiān)測與控制。斷治療和預防提供線索，對疾病進程進行監(jiān)測與控制。q 對腫瘤特異性生物標志物的檢測；對腫瘤特異性生物標志物的檢測；q 在糖尿病及心血管疾病方面的應用；在糖尿病及心血管疾病方面的應用；q 對類風濕性關(guān)節(jié)炎生物標志分子的檢測；對類風濕性關(guān)節(jié)炎生物標志分子的檢測；q 對人

11、類細胞因子和趨化因子的測定和定量分析。對人類細胞因子和趨化因子的測定和定量分析。 蛋白質(zhì)芯片在蛋白質(zhì)組學中的應用蛋白質(zhì)芯片在蛋白質(zhì)組學中的應用（2 2）病原微生物的蛋白質(zhì)組研究）病原微生物的蛋白質(zhì)組研究 病原微生物蛋白質(zhì)病原微生物蛋白質(zhì)組研究對于闡明感染性疾病的發(fā)病機制，實現(xiàn)有效的組研究對于闡明感染性疾病的發(fā)病機制，實現(xiàn)有效的預防，早期診斷和治療，制備新的藥物等方面有著重預防，早期診斷和治療，制備新的藥物等方面有著重要意義。要意義。（3 3）在藥物開發(fā)中的應用）在藥物開發(fā)中的應用 在病理狀態(tài)下表達異?；蛱卦诓±頎顟B(tài)下表達異常或特異性表達的蛋白質(zhì)，以及細胞信號傳遞通路中的關(guān)鍵異性表達的蛋白質(zhì)，以

12、及細胞信號傳遞通路中的關(guān)鍵性蛋白質(zhì)，都可能成為藥物設計的靶分子。性蛋白質(zhì)，都可能成為藥物設計的靶分子。（4 4）毒理學分析）毒理學分析 通過發(fā)生損傷的組織器官與正常組織器通過發(fā)生損傷的組織器官與正常組織器官之間的蛋白質(zhì)組比較，有助于闡明藥物毒副作用的官之間的蛋白質(zhì)組比較，有助于闡明藥物毒副作用的發(fā)生機制。發(fā)生機制。蛋白質(zhì)芯片在蛋白質(zhì)組學中的應用蛋白質(zhì)芯片在蛋白質(zhì)組學中的應用 人動脈平滑肌細胞蛋白譜人動脈平滑肌細胞蛋白譜蛋白質(zhì)組學蛋白質(zhì)組學揭示了揭示了oxidized low density lipoprotein誘導人動脈平滑肌細胞的作用模式誘導人動脈平滑肌細胞的作用模式細胞經(jīng)細胞經(jīng)oxidi

13、zed low density lipoprotein作用后的蛋白譜作用后的蛋白譜檢出檢出298個蛋白個蛋白54個蛋白表達量發(fā)生變化個蛋白表達量發(fā)生變化4.7% 抗原（一組細胞抗原（一組細胞-細胞間相細胞間相互作用分子）表達上調(diào)；互作用分子）表達上調(diào)；13.4%抗原抗原（結(jié)構(gòu)蛋白，體液響結(jié)構(gòu)蛋白，體液響應蛋白）表達下降應蛋白）表達下降存在的問題存在的問題 成本過高，需一系列昂貴的尖端儀器成本過高，需一系列昂貴的尖端儀器 芯片的標準化問題芯片的標準化問題 提高芯片的特異性、簡化樣品制備和標記提高芯片的特異性、簡化樣品制備和標記操作程序、增加信號檢測的靈敏度和消除操作程序、增加信號檢測的靈敏度和消

14、除芯片背景對于結(jié)果分析的影響等等芯片背景對于結(jié)果分析的影響等等染色質(zhì)免疫沉淀芯片染色質(zhì)免疫沉淀芯片（chip-chip） chip-on- chip是染色體免疫共沉淀與芯片技術(shù)的結(jié)合，用于分析在活是染色體免疫共沉淀與芯片技術(shù)的結(jié)合，用于分析在活體細胞中調(diào)節(jié)蛋白與基因組體細胞中調(diào)節(jié)蛋白與基因組dna之間的相互作用。該技術(shù)能夠快速之間的相互作用。該技術(shù)能夠快速在目標基因組的染色體中確定特異在目標基因組的染色體中確定特異dna結(jié)合蛋白的準確結(jié)合位點，結(jié)合蛋白的準確結(jié)合位點，chip芯片也可以在一個基因組的任何感興趣的區(qū)域內(nèi)尋找染色體的芯片也可以在一個基因組的任何感興趣的區(qū)域內(nèi)尋找染色體的結(jié)構(gòu)改變。結(jié)

15、構(gòu)改變。一、一、chip-chip的用途的用途（1）在基因組范圍內(nèi)確定基因轉(zhuǎn)錄因子的）在基因組范圍內(nèi)確定基因轉(zhuǎn)錄因子的dna結(jié)合位點和其他結(jié)合位點和其他dna結(jié)結(jié)合蛋白或蛋白復合體的合蛋白或蛋白復合體的dna結(jié)合位點。結(jié)合位點。（2）染色體活性狀態(tài)的定量分析。）染色體活性狀態(tài)的定量分析。（3）組蛋白修飾的功能研究。通過用酰基化或甲基化的組蛋白的特異）組蛋白修飾的功能研究。通過用?；蚣谆慕M蛋白的特異抗體和沒有進行修飾的組蛋白的特異抗體，可以確定與組蛋白修飾抗體和沒有進行修飾的組蛋白的特異抗體，可以確定與組蛋白修飾有關(guān)的結(jié)合模式的變化。有關(guān)的結(jié)合模式的變化。（4）聚合酶活性的定量分析。）聚

16、合酶活性的定量分析。（5）精煉生物信息方法，用功能數(shù)據(jù)來確定啟動子的位置。）精煉生物信息方法，用功能數(shù)據(jù)來確定啟動子的位置。交聯(lián)與裂解細胞交聯(lián)與裂解細胞超聲破碎免疫共沉淀測序得到序列信息與基因組信息比對 chip-on-chip技術(shù)能為一些重要機制的研究提供線索，技術(shù)能為一些重要機制的研究提供線索，包括包括dna復制、修飾、修復，更重要的還有甲基化以及復制、修飾、修復，更重要的還有甲基化以及組蛋白修飾等等；還能幫助我們更好的組蛋白修飾等等；還能幫助我們更好的 理解一些疾病的理解一些疾病的發(fā)生機理比如糖尿病、白血病、乳腺癌等。除此之外，發(fā)生機理比如糖尿病、白血病、乳腺癌等。除此之外，chip-o

17、n-chip技術(shù)也已在一些至關(guān)重要的生命過程中為技術(shù)也已在一些至關(guān)重要的生命過程中為我們提供了重要的線索，我們提供了重要的線索， 包括細胞增殖、細胞分化、癌包括細胞增殖、細胞分化、癌癥發(fā)生、細胞周期、細胞凋亡以及神經(jīng)生成等過程。癥發(fā)生、細胞周期、細胞凋亡以及神經(jīng)生成等過程。 研究基因啟動子部位組蛋白的甲基化乙?；蛄姿峄芯炕騿幼硬课唤M蛋白的甲基化乙?；蛄姿峄礁淖儯黄礁淖?； 研究基因啟動子部位研究基因啟動子部位dna甲基化水平改變甲基化水平改變 研究轉(zhuǎn)錄因子與其結(jié)合的所有基因啟動子研究轉(zhuǎn)錄因子與其結(jié)合的所有基因啟動子dnagenechip-tilingarray技術(shù)簡介技術(shù)簡介af

18、fymetrix公司于公司于2006年年1月月24日宣布推出日宣布推出genechip（r）人類和鼠源嵌合芯片（人類和鼠源嵌合芯片（tilinga，ray）系列產(chǎn)品。該系列芯）系列產(chǎn)品。該系列芯 片研究范圍大大超出已知編碼蛋白序列，可以對整個人類和片研究范圍大大超出已知編碼蛋白序列，可以對整個人類和小鼠基因組進行系統(tǒng)的研究小鼠基因組進行系統(tǒng)的研究嵌合芯片嵌合芯片 （tilingarray）是迄今為止分辨率最高的基因芯）是迄今為止分辨率最高的基因芯片類型，其探針設計幾乎涵蓋了目標片類型，其探針設計幾乎涵蓋了目標dna的全部序列。迄今的全部序列。迄今為止，為止，affymetrix公司已經(jīng)開公司已經(jīng)開 發(fā)出了人、小鼠、酵母、線蟲、發(fā)出了人、小鼠、酵母、線蟲、擬南芥等模式生物的全基因組擬南芥等模式生物的全基因組tiling芯片，為全基因組規(guī)模芯片，為全基因組規(guī)模上研究目的蛋白與核酸的相互作用提供了強有力的分析工具。上研究目的蛋白與核酸的相互作用提供了強有力的分析工具。 genechip-t