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1、国外医学遗传学分册1998年第21卷第6期DNA芯片的发展和意义中国医科大学医学遗传学教研室(沈阳110001)孙开来吴东宁综述提要DNA芯片是近年来迅速发展起来的高新生物技术,它对人类基因组计划的实现,对人类认识自身、防治疾病与健康发展,促进21世纪人类进入基因工业时代均有十分重要意义。本文就DNA芯片的基本原理,它在基因表达、测序、制图和环境基因组计划等方面的主要应用,以及DNA芯片技术开辟基因工业的新兴产业作一简要介绍和叙述。今年3月27日的“Science”杂志的编者指饰。Chip技术的分子识别与Southern和出:下一个伟大时代的基
2、因组革命可与工业革Northern的分子杂交同出一理,即DNA的碱[2]命和计算机革命所带来的变化相比,这就是“第基配对和序列互补原理。[1]三次技术革命”。这场革命的开展对人类认识芯片和芯阵是将一叠叠七英寸大小的玻璃自身,防治疾病乃至人类的生存与发展有着极薄片,分割成大约半英寸(1.28cm)的小片,在为重要的意义。近年来发展起来的基因芯片片上排列着约64000小方格,小格边长约为头(DNAChip)技术,不仅使基因组计划的实现缩发丝的一半。在此片上制备千百万个DNA探[3]短了多年,同时促进了实用基因组学时代的到针,按顺序列阵,对大量的标本
3、进行检测。其来,使基因组学从理论研究跨入社会实践。方法学基础是以下两个关键技术的结合。分子遗传学的中心问题是认识遗传变异和1.光电化学其表型之间的关系。要充分理解基因组研究对这里应用的是成熟的照像平板印刷术人类健康具有的重要意义,人们必须在大量的(photolithography)和固相合成(solid-phase细胞、组织、个体和群体中进行遗传变异的检synthesis)。在玻片的精确部位合成千百万个高测。现在遗传学和基因组的研究正在进行以下分辨的不同化合物制成探针,即在玻片涂上光诸方面的重要工作:人类基因组的制图与测序;敏化学材料,由于光化
4、学作用可除去化学材料群体中多态性的鉴定;致病基因表达模式的鉴的保护基团,并使修饰的合成连接子贴附于玻定;环境基因组计划研究;多基因的复杂疾病的片上;光线直透照像平板上的罩(mask),射向遗传制图和基因组的结构分析与功能研究等。片上的特定区,局部产生光去防护作用;每个探人们面对着认识人类基因组中100000个基因针都由A、T、C、G的不同组合构成,用这四种的复杂表达方式,确定细胞生命中错综复杂的核苷液依次冲洗芯片,这些分子即粘于被冲去[2]发育信号的艰巨任务。但长期以来,人们一次化学基团的地方,进行化学偶合,光线透射到片只能有限地研究一个基因或
5、mRNA,因而需要上的不同区时,加上不同的核苷,换上不同的新新的有效的手段能一次检测大于100000数据罩,如加A核苷时用A罩、加C核苷时换C罩,(datapoints),而要处理和比较如此大的数据,如此重复这一过程;由4个核苷组成的任一套目前常用的凝胶电泳测序分析是达不到的,需探针,可由4N(N=探针长度)循环来合成。如要技术革新以设计新的数据分析软件。基因芯全长20个核苷的探针只需80次化学循环合片技术就这样应运而生了。成。合成的探针与既定的参考序列互补对应。研一、DNAChip的基本原理究者可按参数设计无限高密度互补的DNA[2]DNA序
6、列的分析需要分辨单个核苷,将分阵。子识别的规则用于生物系统的阅读、储存和修2.激光共焦荧光扫描·281·国外医学遗传学分册1998年第21卷第6期即在DNA阵上检测分子的相互作用。用低、相等和增加。不同荧光(红和绿)标记探针和靶序列,由共焦2.基因测序显微镜或电光倍增管进行激光诱导荧光扫描,大规模基因组测序正是人类基因组急待完从空间输出信号呈现不同辉度的荧光图像,由成的任务。这涉及到多态性、插入、缺失的检测。[6]数据分析软件进行处理和定量分析。此技术只Chee等以单杂交实验进行人类完整线粒体需很少的化学材料和生物标本。基因组测序。以13500
7、0个寡核苷酸探针检测此外,也有人用改进的喷墨印刷机探头技了mt基因组约16.6kb序列,并检测对照标本2术(modifiedinjetprinterhead),与前者不同的179/180多态。现在可在1.28cmChip上,以足是固相合成的每一阶段的化学试剂是喷射到玻够的探针扫描32kb至几百kb区域中任何区片的特定区点。段。通过设计不同的Chip,Cronin等检测了这样的DNA高密度寡核苷酸芯阵可用来CFTR基因的多点突变,Kozal等检测了HIV,鉴定靶序列、测试其量变和相应表达水平、检测Hacia等检测了BRCA1基因,Fodor和[2
8、]靶序列与参考序列的差异等。其特点为:建于玻Collins用高密度Chip阵检测BRCA1基因的片(硅片、尼龙膜)上进行杂交,而不是传统的凝杂合性突变
