基因芯片探针设计与优化策略

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1、基因芯片探针设计与优化策略作者：孙增强指导老师：章桂明姜子德摘要：目前，基因芯片技术已成为生命科学研究的重点，并在各方面展示了巨大的应用前景。基因芯片探针的设计将直接影响到基因芯片检测的灵敏度和特异性，因此，如何对探针进行设计将显得特别重要。本文就基因芯片探针设计的重要性、探针的设计和探针的优化等方面的进展作一介绍。关键词：基因芯片；探针设计；探针优化；影响因素；设计原则基因芯片是20世纪90年代发展起来的一项前沿生物技术，它将生命的化学过程转化为一种可控制的、静态的形式，并对这种形式的表现结果用计算机进行检测和分析。随著2001年2月12F1人类基因组DNA全序列数据的公布⑶°,以及酵母

2、、拟南芥、水稻和果蝇等模式生物的全基因组序列的测定，现代化物学的发展己经进入了“后基因组时代”，研究的重点将山发现基因转变到探索基因的功能。基因芯片技术能够快速、敏感、有效地处理核酸，并且具有高通量、微型化和平行分析的特点，使核酸的检测方法产生了由最变到质变的飞跃。现在，基因芯片正广泛应用于DNA测序、基因表达分析、基因突变检测、约物筛选、微生物菌种的鉴定、遗传病和肿瘤的诊断以及致病机制的研究等等（5＞6,7*8＞o而几，随着分子生物学技术的飞速发展，该技术越来越显示出巨大的潜力和诱人的前景。基因芯片技术的原理最初是由核酸的分子杂交衍生出來的，即应用已知序列的核酸探针，对未知的序列进行杂交

3、检测，可以说，Southernblot是基因芯片技术的雏形。俄罗斯科学院恩格尔哈得分了生物研究所和美国阿贡国家实验室（ANL）⑼最早在文献中提到了用杂交法测定核酸序列（SBII）新技术的想法；而同时Southern等也取得了在载体固定寡核苜酸和杂交法测序的国际专利皿⑴。在这些技术储备的基础上，基因芯片技术迅速发展起来，而作为基础技术之一的核酸杂交技术山于受到储多因素的彩响，制约了基因芯片技术检测的灵敏度和特异性。本文就基因芯片探针设计的重要性、探针的设计和探针的优化等方面予以综述。1基因芯片探针设计的重要性分子杂交技术作为基因芯片技术屮最基木、最重要的技术，分子杂交的优劣将肓接彩响到基因芯

4、片检测的效果。因此，作为分了杂交的决定因素Z探针将突显出在棊因芯片技术应用中的重要性。在基因芯片技术中，一般应用二种探针：一种为寡核琶酸探针；另一种为cDNA探针，不同种类的探针决定了其在基因芯片技术中不同的应用，寡核昔酸探针芯片一般常用来进行基因的突变检测、D：A测序、基因图绘制和基因多态性分析等等；而cDNA探针芯片常用來进行文库筛选、基因表达分析、药物筛选和毒理学研究等等。虽然说两类探针的功能是相似的，但具体到某一方面，它们又各冇优劣。Gzo等（12）在已知易发生突变的核酸序列片段情况下，利用寡核苜酸探针芯片分析源于人类胳氨酸酶基因外显子4的5个突变上，取得了预期的效果；Schen

5、a等＜13）和Derisi等＜14＞分别用cD¥A探针芯片成功测定了多种模式牛.物（如拟南芥、酵母等）以及人黑色素瘤细胞系基因的差异表达。同时，探针杂交的效果将直接影响到基因芯片检测的灵敏度和特异性，探针设计不当将制约基因芯片技术的应用。所以如何进行探针的设计与优化来消除探针杂交的不利彩响，提高检测的灵敏度和特异性将是棊因芯片应用技术研究的重点Z-o2基因芯片探针的设计2.1影响探针杂交的因素核酸朵交是在储多因索的共同作用下进行的，在朵交过程中将不可避免的受到这些因索的制约,影响核酸链的杂交效率，从而进一步影响基因芯片检测的灵敏度和特异性。在基因芯片探针的杂交过程屮受到以下几种因素的影响：

6、2.1.1序列影响因素序列的长度、互补序列的长度、序列碱棊成分等。例如：序列较短虽可提高有效朵交率，但较低的稳定性对引起杂交信号的下降；序列较长虽佼稳定，但杂交时间太长，杂交效率低；序列碱基内部不能有许多重复，如果太多，则易引起序列自身的错配等。⑴2.1.2非序列影响因素探针和靶序列浓度、时间、温度、阳离子浓度、化合价及特征、PH值、等电点、缓冲液、固相支持物性质等。例如：探针的浓度-•般要人于靶序列的浓度才能保证杂交信号的特异性和灵敏度；探针杂交时达到最佳的杂交结果所需的浓度〈⑹；固相支持物是选择玻璃片、硅片或是各种有机高分子制作的薄膜等。2.1.3样品背景的影响因素任何探针序列，甚至在

7、以上因素优化的条件下，都有可能与样品中的互补靶序列相互作用，尽管有时互补靶序列较短或是某一小段，也将产牛特异性的背景，降低检测的特异性和灵敏度。另外，不同组成和浓度的样品检测后将导致不同的背景信号，从而不宜进行判断（15）o2.2基因芯片探针设计的原则探针设计的目的就是为了达到最佳的朵交条件，呈现出最佳的朵交效果，提高检测的灵敏度和特异性。在杂交过程小，很容易出现假阳性、假阴性、错配和杂交不稳定的情况，因此，确定探针设计