第八章生物信息学在基因芯片中的应用

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1、第八章生物信息学在基因芯片中的应用生物信息学和基因芯片是生命科学研究领域中的两种新方法和新技术，生物信息学与基因芯片密切相关，生物信息学促进了基因芯片的研究与应用，而基因芯片则丰富了生物信息学的研究内容。生物系统通过存贮、修改、解读遗传信息和执行遗传指令形成特定的生命活动，产生生物进化。从信息学的角度来看，生物分子是生物信息的载体，如DNA序列存贮对蛋白质序列的编码信息，蛋白质序列决定蛋白质在生物体中的结构，而蛋白质的结构又决定了蛋白质的功能。归根到底，DNA序列包含着最基本的生命信息，生命的信息存贮在A、T、C、G这4个字符所组成的DNA序列

2、中。而基因芯片则是一种提取生物分子信息的有力工具，通过基因芯片可以大规模、并行提取DNA或RNA信息。对基因芯片所获取的大量数据进行分析和处理，能够发现数据之间的关系，挖掘隐含的生物学知识。第一节概述１、基因芯片简介对于分子生物学、生物医学的研究来说，一个基本的前提是DNA序列的测定和分析。在对传统DNA测序方法和序列分析方法进行改进的过程中，以基因芯片为代表的生物芯片技术应运而生。基因芯片技术将生命科学研究中所涉及的许多不连续的分析过程，如样品制备、化学反应和分析检测等，通过采用微电子、微机械等工艺集成到芯片中，使之连续化、集成化和微型化。这

3、一技术的成熟和应用将在新世纪里给遗传研究、疾病诊断和治疗、新药发现和环境保护等生命科学相关领域带来一场革命。（１）基因芯片的基本原理及生物信息学的作用基因芯片（genechip），又称DNA微阵列（microarray），是由大量DNA或寡核苷酸探针密集排列所形成的探针阵列，其工作的基本原理是通过杂交检测信息。在生命体中基因信息的阅读、贮存、复制、转录和翻译均通过分子识别的规则来进行，对于核酸，可通过碱基互补匹配识别一个核酸分子的序列。应用已知序列的核酸探针和样品进行杂交,对未知核酸序列进行检测，是分子生物学中常用的研究手段之一。基因芯片把大量

4、已知序列探针集成在同一个基片上，经过标记的若干靶核酸序列通过与芯片特定位置上的探针杂交,便可根据碱基互补匹配的原理确定靶基因的序列。这样，利用基因芯片杂交检测图像，可以对生物细胞或组织中大量的基因信息进行分析(Ramsay,1998)。基因芯片能够在同一时间内分析大量的基因，实现生物基因信息的大规模检测(Chengetal.,1996;MarshallandHodgson,1998)。根据探针的类型和长度，基因芯片可分为两类。其中一类是较长的DNA探针（>100mer）芯片，这类芯片的探针往往是PCR的产物，通过点样方法将探针固定在芯片上，主要

5、用于RNA的表达分析。另一类是短的寡核苷酸探针芯片，其探针长度为25mer左右，一般通过在片（原位）合成方法得到，这类芯片既可用于RNA的表达监控，也可以用于核酸序列分析。基因芯片是分子生物学和微电子学及信息学相互结合所形成的新型技术，其核心在于大规模并行提取DNA或RNA信息，基因芯片为进行DNA序列分析和基因表达分析提供了一种强有力的工具。基因芯片的重要性可以与50年代把单个晶体管组装成集成电路芯片相比，基因芯片技术将会对廿一世纪生命科学和医学的发展产生无法估计的影响(Cheeetal.1996;Stipp1997)。基因芯片的相关技术包括

6、：基因芯片设计，基因芯片制备，靶基因的制备、杂交和检测，检测结果分析等。如图8.1所示，首先提出基因芯片所要解决的问题，确定研究目标,例如，研究基因单碱基多态性，检测或分析DNA的变异，或者通过表达谱的差异寻找功能基因等。根据我们所要解决的问题，选择一组特定基因对象。其次，根据所选择的基因序列，设计探针阵列，确定每个探针以及探针在芯片上的排布。然后根据设计结果制备基因芯片，制备方法大致可以分为点样法和在片合成法。接下来进行杂交实验。在对基因芯片进行杂交之前，要同时对大量不同的基因片段进行扩增和标记，而在杂交实验之后对基因芯片杂交结果进行检测，目

7、前主要用荧光标记方法。最后根据获得的荧光谱图，进行数据处理分析，报告检测结果，并将相应的数据存入数据库。图8.1基因芯片相关技术示意图（陆祖宏等，2000）·PCR扩增·靶基因标记·点样方法·在片合成芯片杂交·生物信息学·数学优化·数据库试样处理杂交检测数据分析实际应用芯片制作芯片设计提出问题·表达差异分析·多态性分析·再测序随着基因芯片需求和应用的不断增长，基因芯片及其相关的研究内容将会越来越丰富，可以预期，基因芯片或生物芯片不久将会形成一门独立的学科。生物信息学是分析处理生物分子信息、揭示生物分子信息内涵的一种技术(孙啸,1998)，它在基

8、因芯片研究与应用中起着重要的作用(孙啸，王晔等2001)。从确定基因芯片检测对象到基因芯片设计，从芯片检测结果分析到实验数据管理和信息挖掘，无不需要生