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1、第三章基因芯片的设计与制备技术研究我们知道，从最危险的艾滋病到最常见的感冒等许多感染性疾病都是由病毒等病原体引起的，但由于病原体亚型众多并易发生变异，而且疾病的发生、发展及预防都与其种型有关，使得医生对其诊断及治疗依赖于对病原体的基因分型⑴。但由于传统的基因分析方法操作复杂，分析的信息量少，一次只能分析3〜5个基因，而延误了对疾病的诊断及治疗。基因芯片技术的发展和应用，可以快速、高效、高通量地分析生物信息，且操作简便，准确性高，使得基因分析不再是少数分子生物学专家的专长，而能为广大医务人员所掌握，可用于常
2、见疾病的诊断及治疗⑴⑵。科学表明，大部分疾病都与基因有关，而且往往与多种基因有关。基因芯片可以将人体内的生命信息集成于1平方厘米的芯片内，同时对千万个基因进行监测与分析,可以实现对待测基因群和相关疾病的快速、准确和简便的诊断【2］。例如：目前己知道有600多种遗传病与基因有关，对胎儿用DNA芯片做早期监测与护理，有利于人口优生。目前的研究已经表明，人类60%的癌症与一种抑制肿瘤基因历3有关。利用基因芯片技术可以迅速探测到患者页3基因的变异情况，有利于早期预防或进行最佳方案治疗。§3.1基因芯片概述基因是遗
3、传的生物学单位。所谓基因是带冇遗传性状的DNA片段，每个基因具有自身的遗传密码⑶。基因虽然只有小小的一段，却冇着重要的功能。因为基因决定着蛋白质的合成，冇”一个基因一个多肽链”的说法。简单地说：基因决定蛋白质，蛋白质决定代谢作用，代谢作用决定各种性状。基因携带了指导细胞产生特殊蛋白质例如酶的指令。只冇在特定的时期，细胞中的某个基因才能被激活⑶⑷。细胞中某个基因是否被激活决定了蛋白质的组成，从而决定了细胞类型以及细胞的功能。人类大约冇50000—100000个基因。基因决定了生物的显性特征，例如头发和眼睛的
4、颜色；更多的微妙特性，例如血液携带氧的能力；以及一些复杂的特征，例如受到多个不同基I大I和坏境的共同作用形成的物理强度。基I大I中的错误将导致疾病产生⑷。DNA链由两条碱基互补的脱氧核昔酸链反向平行旋转形成双螺旋结构。每个脱氧核昔酸由一个碱基、一个脱氧核糖及一个磷酸分子组成。DNA中的碱基种类有四种:腺卩票吟（A）、鸟卩票吟（G）、胸腺卩密噪（T）、胞卩密碇（C）o碱基的不同决定了脱氧核昔酸种类的不同⑷。生物的遗传信息就编码存储于这些核昔酸的排列顺序之中。DNA存储信息的能力远大于现有的电子计算机存储芯片
5、及其它存储介质，一克DNA所能存储的信息量，据估计可与1力亿张CD光盘相当。表3.1DNA芯片使信息存储和处理进入生命信息的新领域外部信息生命信息编码0,1二进制ATCG四进制配对原则（A-T,C-G）数据压缩多种方式信息提取（特征探针）生物信息学一探针信息存储处理存储器、微处理器DNA芯片信息放大/杂交/标记并行处理信息阅读VCD,光盘，磁盘……激光共聚焦扫描仪，荧光显微镜，光纤传感器……随着人类基因组计划（HumanGenomeProject）的逐步实施以及分子生物学相关学科的迅猛发展，越来越多的动植
6、物、微生物基因组序列得以测定，基因序列数据止在以前所未有的速度迅速增长。研究动植物、微生物等的众多基因在生命过程中所担负的功能就成了全世界生命科学工作者共同的课题，生命的繁衍、进化、死亡等生命过程错综复杂，相关研究涉及大量生物信息的同时分析处理。为此，建立新型杂交和测序方法以对大量的生命信息进行高效、快速的检测分析就显得格外重要⑸。基因芯片的岀现使得大规模生物信息的同时存储与处理成为现实，并为解决此类问题提供了光辉的前景，使信息存储和处理进入生命信息的新领域⑹。基因芯片（genechip）,乂称DNA芯片
7、或DNA微阵歹U（microarray）,是现代微电子技术与生物技术融合的产物，它的基本原理是采用微电子加工技术以及基因分子的自组装技术，将大量DNA片断有序地固化在支持物表面，然后与扩增和标记过的生物样品进行充分杂交，再加以洗脱后，通过对每个探针分子的杂交信号进行检测分析，进而获取样品分子的生物遗传信M,2
8、,6,,7,o按照其结构基本上可分为两种类型⑻：I型,将待测DNA分子样品固定在固相支持物上并与一系列游离的标记探针杂交，杂交探针或是单一的或是混合的；II型，按照预先设定顺序将寡核昔酸固定于固相支
9、持物上再与标记的DNA样品进行杂交，由己知的寡核背酸序列确定被检测的DNA样品。根据这种概念，我们可以看出，在这项技术中，有如下三点是非常关键的⑼。其一是要有大量的己知序列基因或基因片段。随着人类基因组计划的实施，我们可以得到大量基因序列信息，可以将一个文库的所有cDNA序列测到并加以记录，从而可以将一个文库排列成一个DNA阵列。
10、大I此，从理论上讲，可以做成从微生物到人类各组织器官的文库阵列。其二，从工艺的角度讲，要求能够将
