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1、生物芯片的应用简介雷安民西北农林科技大学.干细胞研究中心西北农林科技大学.动物医学院对基础学科发展的影响DNA测序：杂交测序（SBH）；基因表达分析；基因组研究：作图、测序、基因鉴定、基因功能分析；基因诊断：寻找和检测与疾病相关的基因及在RNA水平上检测致病基因的表达；药物研究与开发。食品卫生安全芯片技术用于基因序列测定第一代的杂交测序；第二代的合成测序-单/四核苷酸循环；第三代的纳米芯片测序技术；传统的基因测序方法测序时分成四个单独的反应，每个反应除上述成分外分别加入2,3-双脱氧的A,C,G
2、,T核苷三磷酸(称为ddATP,ddCTP,ddGTP,ddTTP),然后进行聚合反应。在聚合反应过程中，ddNTP和dNTP会随机性的结合，一旦ddNTP加入了新合成的DNA链,由于其3位的羟基变成了氢,不能形成磷酸二酯键，所以不能继续延伸。由此产生A，T，C，G四组不同长度的一系列核苷酸，然后在尿素变性的PAGE胶上电泳进行检测，从而获得DNA序列。尿素变性的PAGE电泳胶杂交测序原理基因芯片的测序原理是杂交测序，即通过与一组已知序列的核苷酸探针进行杂交完成核苷酸序列测定。用图5-9说明测序
3、原理。在一块基片表面固定已知序列的八核苷酸探针，当溶液中带有荧光标记的核苷酸序列TATGCAATCTAG与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补杂交时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列，据此可重组出靶核苷酸待测序列。DNA芯片测序技术包括芯片制备、样品制备、分子杂交、检测分析、序列分析和组装等过程。杂交测序原理示意图新一代的测序原理关键的技术点：核苷酸序列的接头技术；四种核苷酸的标记技术；接头与片基的结合技术；高通量的电脑分析技术；高效序列分析拼接软件；第一步，基因组
4、被打断为100-200bps的片段每个片段被接上接头序列接头后的片段在片基上固定对应链的边合成边测序一个芯片上，1000，000点样，一次测定可以循环30次；耗时5个小时；从理论上讲，5个小时可以完成30,000,000个碱基的测序量;工作人员一天就可以完成60,000,000个碱基的测序量;从理论上讲,50个工作日就可以完成一个人的全基因基因测序任务。该方法的优势：1.高通量：一轮反应可产生大于1Gb的数据；2.快速：产生1Gb数据的时间约为3天；3.成本低廉：每测量100万个碱基对所需成本3
5、美元；两代测序方法，测序序列都是在荧光或者化学发光物质的协助下，通过读取DNA聚合酶或DNA连接酶将碱基连接到DNA链上过程中释放出的光学信号而间接确定的，除了需要昂贵的光学监测系统,还要记录、存储并分析大量的光学图像，这都使仪器的复杂性和成本增加，依赖生物化学反应读取碱基序列更增加了试剂、耗材的使用。新型纳米孔测序法（nanoporesequencing）是采用电泳技术，借助电泳驱动单个分子逐一通过纳米孔来实现测序的。由于纳米孔的直径非常细小，仅允许单个核酸聚合物通过，因而可以在此基础上使用多
6、种方法来进行高通量检测。此外，纳米级别的孔径保证了检测具有良好的持续性，所以测序的准确度非常高。对于长达1,000个碱基的单链DNA分子、RNA分子或者更短的核酸分子而言，根本无需进行扩增或标记就可以使用纳米孔测序法进行检测，这使得便宜、快速地进行DNA测序成为可能。如果对现有纳米孔测序法进行进一步发展和改进，那么它将有望成为第三代测序技术（也可称为下、下一代测序技术），从而帮助人们实现24小时内只花费1,000美元完成二倍体哺乳动物基因组测序这一目标。2008年开始的第三代测序技术则是基于纳米
7、孔的单分子读取技术，这种方法读取数据更快、有望大大降低测序成本，改变个人医疗的前景。第三代测序技术的基本原理是在纳米孔中配置纳米电极，用电测方法测量一个DNA的核酸碱基排列。但是电测识别一个分子的技术开发极其困难，因此尚未有验证该原理的实例。孔道蛋白：是金黄色葡萄球菌α溶血素；纳米孔道的电位测量；基因表达谱芯片的应用最为广泛，技术上也最成熟。这种芯片可以检测整个基因组范围的众多基因在mRNA表达水平的变化。它能对来源于不同个体、不同组织、不同细胞周期、不同发育阶段、不同分化阶段、不同生理病理、不
8、同刺激条件下的组织细胞内基因表达情况进行对比分析。从而对基因群在个体特异性、组织特异性、发育特异性、分化特异性、疾病特异性、刺激特异性的变化特征和规律进行描述，表达谱芯片的应用进一步阐明基因的相互协同、抑制、互为因果等关系。有助于理解基因及其编码的蛋白质的生物学功能，并从已知生物学功能的基因推论未报道基因的生物学意义。同时，还可在基因水平上解释疾病的发病机理，为疾病诊断、药效跟踪、用药选择等提供有效手段。急性白血病、黑色素瘤、卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌、肝癌等表达谱芯片的研究。基因芯片的优点：高通
