生物信息学在基因芯片中的应用1

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1、第八章生物信息学在基因芯片中的应用主讲人：孙啸制作人：刘志华东南大学吴健雄实验室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第一节概述１、基因芯片简介（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。基因芯片把大量已知序列探针集成在同一个

2、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。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。原理--通过杂交检测信息一组寡核苷酸探针—TATGCAATCTAGCGTTAG

3、ATACGTTAGAATACGTTAGATCTACGTTAG由杂交位置确定的一组核酸探针序列GTTAGATC杂交探针组TATGCAATCTAG重组的互补序列靶序列TACGTTAGACGTTAGAATACGTTACGTTAGATGTTAGATCATACGTTA基因芯片荧光标记的样品共聚焦显微镜获取荧光图象杂交结果分析探针设计杂交（２）基因芯片制备基因芯片的制备主要有两种基本方法:一是在片合成法，在片合成法是基于组合化学的合成原理,它通过一组定位模板来决定基片表面上不同化学单体的偶联位点和次序。在片合成法制备DNA

4、芯片的关键是高空间分辨率的模板定位技术和固相合成化学技术的精巧结合。另一种方法是点样法。基因芯片点样法首先按常规方法制备cDNA（或寡核苷酸）探针库，然后通过特殊的针头和微喷头,分别把不同的探针溶液，逐点分配在玻璃、尼龙或者其它固相基底表面上不同位点,并通过物理和化学的结合使探针被固定于芯片的相应位点。（３）靶基因样品的制备及芯片杂交根据基因芯片的检测目的不同,可以把样品制备方法分为用于表达谱测量的mRNA样品制备用于多态性(或突变)研究的基因样品的制备（４）杂交信号检测对于用荧光素标记经扩增（也可用其他放大技

5、术）的序列或样品，与芯片上的探针进行杂交，然后冲洗，采集荧光图像。图像的采集用落射荧光显微镜或电荷偶联装置照相机非共聚焦激光扫描仪等进行。２、基因芯片对于生物分子信息检测的作用和意义在生命科学领域中，基因芯片为分子生物学、生物医学等研究提供了强有力的手段。利用基因芯片技术，可研究生命体系中不同部位、不同生长发育阶段的基因表达，比较不同个体或物种之间的基因表达，比较正常和疾病状态下基因及其表达的差异。基因芯片技术也有助于研究不同层次的多基因协同作用的生命过程，发现新的基因功能，研究生物体在进化、发育、遗传过程中的

6、规律。３、基因芯片研究和应用中所涉及到的生物信息学问题提取什么信息如何提取信息如何处理和利用信息确定芯片检测目标芯片设计数据管理与分析探针设计解决杂交条件一致性问题芯片优化提高芯片制备效率公共数据库专用数据库确定目标选择待检测的目标序列数据分析分析杂交检测结果及可靠性基因芯片数据库图像处理数据库查询序列分析生物信息学数据挖掘数据可视化杂交检测图像基因芯片数据流图（２）生物信息学在基因芯片中的应用生物信息学在基因芯片中的应用主要体现在三个方面:确定芯片检测目标芯片设计实验数据管理与分析（３）基因芯片研究与应用中所

7、要解决的信息学问题在基因芯片信息学方面要解决以下几个关键的问题:第一是芯片设计问题第二是可靠性分析问题第三是数据挖掘问题第二节基因芯片设计１、基因芯片设计的一般性原则基因芯片设计主要包括两个方面:(1)探针的设计指如何选择芯片上的探针(2)探针在芯片上的布局指如何将探针排布在芯片上。确定芯片所要检测的目标对象查询生物分子数据库取得相应的DNA序列数据序列对比分析找出特征序列，作为芯片设计的参照序列。数据库搜索得到关于序列突变的信息及其它信息。在进行探针设计和布局时必须考虑以下几个方面：(1)互补性(2)敏感性和

8、特异性(3)容错性(4)可靠性(5)可控性(6)可读性２、DNA变异检测型芯片与基因表达型芯片的设计对于DNA序列变异分析，最基本的要求是能够检测出发生变异的位置，进一步的要求是能够发现发生了什么样的变化。从杂交的单碱基错配辨别能力来看，当错配出现在探针中心时，辨别能力强，而当错配出现在探针两端时，辨别能力非常弱。所以，在设计检测DNA序列变异的探针时，检测变化点应该对应于探针的中心，