基于基因芯片的生物信息學(xué)研究

1、基于基因芯片的生物信息學(xué)研究生物信息學(xué) 交叉領(lǐng)域一門新興的學(xué)科l起源：計(jì)算機(jī)技術(shù)和人類基因組計(jì)劃的發(fā)展l學(xué)科組成： 傳統(tǒng)意義上的生物信息學(xué)（bioinformatics）：用于建立現(xiàn)代生物學(xué)所需信息系統(tǒng)框架（支持生物學(xué)的信息管理系統(tǒng)、分析工具和通訊網(wǎng)絡(luò)）的研究開發(fā)工作。 計(jì)算生物學(xué)（computational biology）：旨在理解基本生物學(xué)問(wèn)題的基于計(jì)算的研究工作。生物信息學(xué)的研究?jī)?nèi)容 生物信息的收集、存儲(chǔ)、管理與提供 基因組序列信息的提取和分析 功能基因組相關(guān)信息分析 生物大分子結(jié)構(gòu)模擬和藥物設(shè)計(jì) 生物信息分析的技術(shù)與方法研究 應(yīng)用與發(fā)展研究 生物信息學(xué)的研究目標(biāo) 揭示“基因組信息結(jié)構(gòu)

2、的復(fù)雜性及遺傳語(yǔ)言的根本規(guī)律 ”。生物信息技術(shù)的研究方法和工具 兩種研究方法和工具： 細(xì)胞蛋白質(zhì)二維凝膠電泳 即2-D-gel及相應(yīng)的質(zhì)譜法測(cè)量蛋白質(zhì)分子量 生物芯片技術(shù)（Biochip技術(shù)）什么是生物芯片 一塊指甲大小（1cm3 ）的有多聚賴氨酸包被的硅片或其它固體支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纖維素膜、尼龍膜等 ）。 生物芯片通過(guò)微加工和微流體系統(tǒng)將生化分析中的樣品制備、生化反應(yīng)、及結(jié)果檢測(cè)有機(jī)地結(jié)合集成在一起 。 具有高速度、分析自動(dòng)化、及高度并行處理能力 。生物芯片的發(fā)展 80年代，俄羅斯國(guó)家科學(xué)院恩格爾分子生物學(xué)研究所和美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開始探索生物芯片技術(shù) 1989年，在美

3、國(guó)AFFYMETRIX公司誕生了世界上第一塊原位合成基因芯片 1992年，斯坦福大學(xué)P.B.Brown實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了世界第一個(gè)微陣列技術(shù) 1996年，AFFYMETRIX公司登陸納斯達(dá)克 2004年，全球有超過(guò)2000家公司和實(shí)驗(yàn)室從事生物芯片相關(guān)研究和產(chǎn)業(yè) 生物芯片類型 基因芯片 蛋白質(zhì)芯片 組織芯片 細(xì)胞芯片基因芯片及其特點(diǎn)基因芯片是按特定的排列方式固定有大量基因探針（或基因片段）的硅片、玻片、塑料片?；蛐酒奶攸c(diǎn)： 技術(shù)操作簡(jiǎn)單 自動(dòng)化程高 序列數(shù)量大 檢測(cè)效率高 應(yīng)用范圍廣 成本相對(duì)低基因芯片的類型（一） 基因芯片按其材質(zhì)和功能，可以分為一下幾類：l元件型微陣列芯片 生物電子芯片 凝膠

4、元件微陣列芯片 藥物控制芯片l通道型微陣列芯片 毛細(xì)管電泳芯片 PCR擴(kuò)增芯片 集成DNA分析芯片 毛細(xì)管電層析芯片l生物傳感芯片 光學(xué)纖維陣列芯片 白光干涉譜傳感器芯片基因芯片的類型（二）按基因芯片點(diǎn)陣的制備方法，可以分為：l原位合成 適用于寡核苷酸。根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的點(diǎn)陣序列在每個(gè)位點(diǎn)通過(guò)有機(jī)合成的方式直接聚合得到所要求的探針分子。兩種途徑： 光刻法：可合成30nt左右，每步縮合率較低為95左右，產(chǎn)率僅20， 需要特殊的合成試劑。 壓電打印法：可合成50nt左右，每步縮合率為99以上，產(chǎn)率可達(dá)74 不需要特殊的合成試劑。 l直接點(diǎn)樣 多用于大片段DNA，有時(shí)也用于寡核苷酸，甚至mRNA。將合成

5、好的探針、cDNA、基因組通過(guò)特定的高速點(diǎn)樣機(jī)器人直接點(diǎn)在芯片上。 優(yōu)點(diǎn)：方法較原位合成簡(jiǎn)單，定量準(zhǔn)確，重現(xiàn)性好，使用壽命 命長(zhǎng) 。 缺點(diǎn)：噴印的斑點(diǎn)大，探針密度低?；蛐酒念愋停ㄈ┌椿蛐酒闹С治?，可以分為：l 薄膜型：如聚丙烯膜、硝酸纖維素膜、尼龍膜等。其點(diǎn)陣通過(guò)“點(diǎn)膜”形式制作，并 通過(guò)一定的方法使探針能夠牢固地結(jié)合在上面。l 玻片型：其點(diǎn)陣通過(guò)原位合成技術(shù)制作，點(diǎn)陣密度很高，必須借助于特殊的儀器對(duì)測(cè) 定結(jié)果進(jìn)行解讀和分析。l 微板型：一種具有高密度、小容量測(cè)試孔的小型酶聯(lián)免疫檢測(cè)板l 集成電路型 ：將雜交技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合于一體有目的地通過(guò)電子裝置檢測(cè)或控 制DNA等生物大分子

6、的作用過(guò)程?；蛐酒膽?yīng)用l 基因表達(dá)檢測(cè)l 尋找新基因l DNA測(cè)序l 突變體和多態(tài)性的檢測(cè)l 其它：如藥物篩選、疾病診斷、基因掃描、基因文庫(kù)作圖等基因芯片研制的總體藍(lán)圖 基因組序列分析與待檢基因探針序列的確定檢測(cè)樣品 的制備探針陣列的準(zhǔn)備雜交檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析檢測(cè)設(shè)備的研制研制方向的確定基因芯片的相關(guān)技術(shù) 合適探針的選擇 PCR技術(shù) 點(diǎn)樣技術(shù) 包被技術(shù) Microarray和Macroarray基因芯片相關(guān)的設(shè)備l制作設(shè)備 雜交箱 洗板機(jī) 點(diǎn)樣儀 烘箱 成像及分析系統(tǒng) 原位合成儀 分子交聯(lián)儀 激光共聚焦掃描儀l點(diǎn)樣機(jī)器人l玻片l掃描設(shè)備基因芯片檢測(cè)系統(tǒng)組成：光纖光譜儀、控溫器、x-y掃描平臺(tái)檢

7、測(cè)方法： 基因芯片非標(biāo)記檢測(cè)法 FITC標(biāo)記檢測(cè)法DNA芯片的制作原理基因芯片的類型（二）按基因芯片點(diǎn)陣的制備方法，可以分為：l原位合成 適用于寡核苷酸。根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的點(diǎn)陣序列在每個(gè)位點(diǎn)通過(guò)有機(jī)合成的方式直接聚合得到所要求的探針分子。兩種途徑： 光刻法：可合成30nt左右，每步縮合率較低為95左右，產(chǎn)率僅20， 需要特殊的合成試劑。 壓電打印法：可合成50nt左右，每步縮合率為99以上，產(chǎn)率可達(dá)74 不需要特殊的合成試劑。 l直接點(diǎn)樣 多用于大片段DNA，有時(shí)也用于寡核苷酸，甚至mRNA。將合成好的探針、cDNA、基因組通過(guò)特定的高速點(diǎn)樣機(jī)器人直接點(diǎn)在芯片上。 優(yōu)點(diǎn)：方法較原位合成簡(jiǎn)單，定量準(zhǔn)確，重現(xiàn)性好，使用壽命 命長(zhǎng) 。 缺點(diǎn)：噴印的斑點(diǎn)大，探針密度低。基因芯片研制的總體藍(lán)圖 基因組序列分析與待檢基因探針序列