基因芯片的数据处理与分析

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1、第2卷第3期2006年5月基因芯片的数据处理与分析张学工凡时财裴云飞关键词：基因芯片数据处理清华大学因的DNA探针，从而同时测定这些基因在样品引言中的表达。这一类技术通常被称作DNA微阵列（microarray），中文更多地称为基因芯片，本世纪初，人类基因组计划（Human而英文的GeneChip由于已经被公司注册为专有GenomeProject）的完成标志着生命科学的研究的名称，因此只用来指特定的芯片类型。基3进入后基因组时代。如何理解这些海量的遗传因芯片是生物芯片（BioChips）大家族中的一信息成为后基因组时代的重要任务。分子

2、生物员，也是最重要的一员，其他类型的生物芯片学的中心法则告诉我们，细胞中的基因最主要还包括蛋白质芯片、组织芯片等等。与传统的是通过从DNA转录到RNA（mRNA）、再翻译分子生物学和生物化学实验只能一次得到很成蛋白质来发挥作用的。根据目前的认识，人有限的数据相对照，这些能够同时获取大量类基因组中编码蛋白质产物的基因的总数大约生物分子数据的技术被统称为高通量（high-在20000～25000之间或者更多。这些基因在人throughput）技术。体内不同组织的细胞中、在细胞不同的发育阶以基因芯片为代表的高通量分子生物学技段有着不同的表达

3、量，即所转录出的mRNA的术的产生，使得科学家获取实验数据的能力大丰度。而且基因的表达是受到调控的，众多基因在时间和空间上有规律地协调表达，是细胞和生物体正常生命活动的基础。研究基因的表达无疑会对认识很多生命现象的规律具有重要意义。传统的用于研究基因表达的实验方法（如Northern-Blotting技1术），仅适用于单个或者较少几个基因。20世纪末，随着生物化学技术的发展，并受到计算机领域高密度芯片生产技术的影响，诞2生了能够同时测量成千上万个基因的mRNA表达量的新技术。通过这些技术，能够在一个几平方厘米的芯片上放置对应于成千上万

4、个基1一种核酸印迹杂交技术2信使核糖核酸3由于常用玻片/硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。3封面报道第2卷第3期2006年5月大增强，在一张芯片上就能获得从上万个到上microarray，简称cDNA芯片）和寡核苷酸芯片百万个探针的观测值，其中包含了数千个到数（oligonucleotidemicroarray）两大类。cDNA芯万个基因的表达值。这种海量的数据一方面为片是将实验室制备的探针通过点样固定在基片发现更多、更复杂的生物规律提供了可能，另上，而寡核苷酸芯片则是采用原位合成技术在

5、一方面也对数据的处理和分析技术提出了前所芯片上合成探针。下面简要介绍这两种芯片的未有的挑战。由于传统的数据分析方法力不从原理及其实验流程。心，一系列新的适应高通量生物数据分析与处cDNA芯片理的方法应运而生，其中，图像处理、模式识别与机器学习等现代信息处理技术发挥了重大cDNA是从mRNA通过反转录过程得到的的作用。DNA，cDNA芯片就是以这种反转录的cDNA片本文尝试对这一领域进行较全面的介绍，断作为探针的基因芯片。制作cDNA芯片时，包括典型的基因芯片原理和实验流程，以及其首先需要构建cDNA文库（cDNAlibrary），即中

6、所主要涉及的图像处理、底层数据处理、高从实验材料中提取将要研究的基因的mRNA，层数据分析与挖掘等方面的重要问题、代表性将它们反转录成cDNA，然后酶切成不同片方法和应用等，对于一些近年来最新出现的新段并克隆到载体里，形成所研究的基因对应的基因芯片类型也给予扼要的介绍。的cDNA片断的一个分子库，即cDNA文库。从文库中选取特定的cDNA片断，利用PCR基因芯片的基本原理（PolymeraseChainReaction，聚合酶链式反应）技术进行扩增和纯化，得到所需要的各个基因芯片原理的基础是DNA的碱基配对原基因的探针，最后通过机械手

7、将对应大量基因理，即在腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌的探针以类似喷射打印的形式，精确地按照特呤（G）和胞嘧啶（C）这四种核苷酸中，A和定排列顺序滴加到经过衍生处理的基片上，从T、G和C分别能形成紧密的配对，这也是生物而完成芯片的制备。这一技术是由斯坦福大学体内使得DNA能够复制和转录的基本机制。这的科学家发明的，其特点是成本相对低廉，种配对的形成过程称为杂交（hybridization）。而且芯片的探针可以根据生物学家的需要自利用这一原理，我们可以用一段特定的DNA序行设计和提取，是一种可以实验室“自制”列作为探针（probe）来

8、检测与之配对的DNA分（home-made）的基因芯片。子的存在及其丰度。基因芯片就是在一张面积采用cDNA芯片检测样品中的基因表达量很小的芯片上固定大量的DNA探针，将经过处时，除了待测试的样品外，还需要准备用于理后的