基因芯片技术讲稿.ppt
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1、关于基因芯片技术第一页,讲稿共五十六页哦 生物芯片是八十年代末在生命科学领域生物芯片是八十年代末在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术,它主要中迅速发展起来的一项高新技术,它主要是指通过微加工技术和微电子技术在固体是指通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建的微型生物化学分析系统,芯片表面构建的微型生物化学分析系统,以实现对细胞、蛋白质、以实现对细胞、蛋白质、DNADNA以及其他生物以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。组分的准确、快速、大信息量的检测。第二页,讲稿共五十六页哦世界著名商业杂志世界著名商业杂志财富财富对基因生对基因生物芯片领域非常看好,它在其物芯片领域非常看好,
2、它在其19971997年的年的3 3月月3131刊中讲到:刊中讲到:“微处理器使我们的经济发微处理器使我们的经济发生了根本改变、给人类带来了巨大的财富生了根本改变、给人类带来了巨大的财富、改变了我们的生活方式。然而,生物芯、改变了我们的生活方式。然而,生物芯片给人类带来的影响可能会更大片给人类带来的影响可能会更大.”.”第三页,讲稿共五十六页哦酵母全基因组基因芯片酵母全基因组基因芯片第四页,讲稿共五十六页哦第一节第一节 生物芯片简介生物芯片简介1.1 生物芯片的定义生物芯片的定义 生物芯片生物芯片是指通过机器人自动印迹或光引是指通过机器人自动印迹或光引导化学合成技术在硅片、玻璃、凝胶或尼龙导化
3、学合成技术在硅片、玻璃、凝胶或尼龙膜上制造的生物分子微阵列,根据分子间的膜上制造的生物分子微阵列,根据分子间的特异性相互作用的原理,将生命科学领域中特异性相互作用的原理,将生命科学领域中不连续的分析过程集成于芯片表面,以实现不连续的分析过程集成于芯片表面,以实现对细胞、蛋白对细胞、蛋白 质、基因及其他生物组分质、基因及其他生物组分 的准确、快速、大信息量的准确、快速、大信息量 的检测。的检测。第五页,讲稿共五十六页哦 基因芯片基因芯片又称又称DNA芯片或芯片或DNA阵列,阵列,是生物芯片的一种类型,它是将是生物芯片的一种类型,它是将DNA分子分子固定于支持物上,并与标记的样品杂交,固定于支持物
4、上,并与标记的样品杂交,通过自动化仪器检测杂交信号的强度来判通过自动化仪器检测杂交信号的强度来判断样品中靶分子的数量,进而得知样品中断样品中靶分子的数量,进而得知样品中mRNA 的表达量,也可以进行基因突变体的表达量,也可以进行基因突变体的检测和基因序列的测定。的检测和基因序列的测定。第六页,讲稿共五十六页哦1.2 基因芯片分析流程基因芯片分析流程 基因芯片分析的过程主要包括样品及其标记处理、基因芯片分析的过程主要包括样品及其标记处理、芯片制作、分子杂交、信号的检测和数据处理及分析等芯片制作、分子杂交、信号的检测和数据处理及分析等几个步骤。几个步骤。基因芯片的理论基础:基因芯片的理论基础:传统
5、的传统的Southern blot和和Northern blot是将受检测的样是将受检测的样本固定在尼龙膜上,再利用特定的已知探针来检测本固定在尼龙膜上,再利用特定的已知探针来检测样本中是否存在互补的样本中是否存在互补的DNA序列。序列。基因芯片的核心原理与基因芯片的核心原理与Southern blot和和Northern blot相相同,只是相反将各种探针固化到基质上,用以检测受同,只是相反将各种探针固化到基质上,用以检测受检样品中与各种探针互补的核酸物质的变化。检样品中与各种探针互补的核酸物质的变化。第七页,讲稿共五十六页哦第八页,讲稿共五十六页哦1 1 样品制备样品制备2 DNA2 DN
6、A提取提取3 3 荧光标记荧光标记4 4 分子杂交分子杂交5 5 信号检测信号检测6 6 点阵分析点阵分析第九页,讲稿共五十六页哦1.3 基因芯片技术的特点基因芯片技术的特点1、基因芯片的优点、基因芯片的优点1 1)高通量高通量性性:可同时并行分析成千上万种分子。:可同时并行分析成千上万种分子。节省时间,并减少系统误差。节省时间,并减少系统误差。2 2)微型化微型化3 3)高度高度自动化自动化4 4)结果重现性和准确性更高结果重现性和准确性更高(基因芯片能在同(基因芯片能在同一张芯片上同时对实验组和对照组材料进行杂一张芯片上同时对实验组和对照组材料进行杂交分析,这样就实现了交分析,这样就实现了
7、平行化平行化操作,避免了各操作,避免了各种误差,使实验结果具有可比性)种误差,使实验结果具有可比性)第十页,讲稿共五十六页哦2、基因芯片的缺点、基因芯片的缺点 基因芯片技术体系的建立和使用需要较基因芯片技术体系的建立和使用需要较大的投入。大的投入。(但是,相对于传统的表达分析技术而(但是,相对于传统的表达分析技术而言,单个基因分析的成本仍是较低的。)言,单个基因分析的成本仍是较低的。)第十一页,讲稿共五十六页哦第十二页,讲稿共五十六页哦第二节第二节 生物芯片的分类生物芯片的分类2.1 按载体材料分类按载体材料分类 玻璃芯片玻璃芯片 硅芯片硅芯片 陶瓷芯片陶瓷芯片 玻璃芯片具有易得、荧光背景低、
8、应玻璃芯片具有易得、荧光背景低、应用方便等优点,目前在国际上广泛使用。用方便等优点,目前在国际上广泛使用。第十三页,讲稿共五十六页哦2.2 按点样方式分类按点样方式分类1、原位合成芯片原位合成芯片(将半导体中的光蚀刻技术运用(将半导体中的光蚀刻技术运用到到DNA合成化学中,以单核苷酸或其他分子大分子为合成化学中,以单核苷酸或其他分子大分子为底物,在玻璃晶片上原位合成寡核苷酸)底物,在玻璃晶片上原位合成寡核苷酸)2、微矩阵芯片微矩阵芯片(目前应用最广泛的基因芯片之一。目前应用最广泛的基因芯片之一。具有高密度、制作简便的特点。其是将用具有高密度、制作简便的特点。其是将用PCR或化或化学合成等方法得
9、到的学合成等方法得到的DNA或寡核苷酸片段用针点或或寡核苷酸片段用针点或喷点的方法直接排列到玻片等载体上,从而制备成喷点的方法直接排列到玻片等载体上,从而制备成芯片。)芯片。)3、电定位芯片电定位芯片(利用静电吸附的原理将(利用静电吸附的原理将DNA快速定快速定位在硅基质、导电玻璃上。)位在硅基质、导电玻璃上。)第十四页,讲稿共五十六页哦2.3 按芯片固定的生物分子类型分类按芯片固定的生物分子类型分类 (1)基因芯片或)基因芯片或DNA芯片芯片 (2)蛋白质芯片)蛋白质芯片 (3)芯片实验室()芯片实验室(lab-on-chip)将一个实验的各个步骤微缩于一个芯片上将一个实验的各个步骤微缩于一
10、个芯片上芯片实验室(Lab-on-a-chip)或称微全分析系统(Miniaturized Total Analysis System,-TAS)是指把生物和化学等领域中所涉及的把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位集成或基本集成样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位集成或基本集成一块几平方厘米的芯片上,用以完成不同的生物或化学反应过程,并对一块几平方厘米的芯片上,用以完成不同的生物或化学反应过程,并对其产物进行分析的一种技术。其产物进行分析的一种技术。第十五页,讲稿共五十六页哦芯片实验室的特点:其一、集成性。集成性。目前一个重要的趋势是:集成的
11、单元部件越来越多,且集成的规模也越来越大。所涉及到的部件包括:和进样及样品处理有关的透析、膜、固相萃取、净化;用于流体控制的微阀(包括主动阀和被动阀),微泵(包括机械泵和非机械泵);微混合器,微反应器,另外还有微通道和微检测器等。其二、分析速度极快。分析速度极快。Mathies研究小组在一个半径仅为8厘米长的园盘上集成了384个通道的电泳芯片。他们在325秒内检测了384份与血色病连锁的H63D 突变株(在人HFE基因上)样品,每个样品分析时间不到一秒钟。其三、高通量。高通量。其四、能耗低,物耗少,污染小。能耗低,物耗少,污染小。每个分析样品所消耗的试剂仅几微升至几十个微升,被分析的物质的体积
12、只需纳升级或皮升级。其五、廉价,安全。廉价,安全。无论是化学反应芯片还是分析芯片由于上述特点随着技术上的成熟,其价格将会越来越廉价。针对化学反应芯片而言,由于化学反应在微小的空间中进行,反应体积小,分子数量少,反应产热少,又因反应空间体表面积大,传质和传热的过程很快,所以比常规化学反应更安全。第十六页,讲稿共五十六页哦2.4 按芯片使用功能分类按芯片使用功能分类 (1)测序芯片)测序芯片 (2)表达谱芯片)表达谱芯片 (3)基因差异表达分析芯片)基因差异表达分析芯片第十七页,讲稿共五十六页哦一组寡核苷酸探针一组寡核苷酸探针TATGCAATCTAGCGTTAGATACGTTAGAATACGTTA
13、GATCTACGTTAG由杂交位置确定的一组由杂交位置确定的一组核酸探针序列核酸探针序列GTTAGATC杂交探针组杂交探针组TATGCAATCTAG重组的互补序列重组的互补序列靶序列靶序列TACGTTAGACGTTAGAATACGTTACGTTAGATGTTAGATC ATACGTTA测序芯片测序芯片第十八页,讲稿共五十六页哦基因表达谱芯片基因表达谱芯片第十九页,讲稿共五十六页哦基因差异表达分析芯片基因差异表达分析芯片第二十页,讲稿共五十六页哦第三节第三节 基因芯片的制作基因芯片的制作固相介质固相介质 硅片、二氧化硅、玻璃、尼龙膜、塑料等。硅片、二氧化硅、玻璃、尼龙膜、塑料等。靶片段靶片段 D
14、NADNA、寡核苷酸、寡核苷酸、RNARNA等。等。探探 针针 mRNAmRNA,或是以,或是以mRNAmRNA为模板合成的为模板合成的cDNAcDNA。标记物标记物 常采用常采用荧光剂荧光剂(如(如Cy3Cy3、Cy5Cy5););同位素同位素等。等。第二十一页,讲稿共五十六页哦3.1 用于芯片制作的用于芯片制作的DNA样品的来源样品的来源 (1)从细胞或组织中提取)从细胞或组织中提取mRNA 后反转录成后反转录成cDNA 文库,经测序及生物信息学分析得到代表各个基因文库,经测序及生物信息学分析得到代表各个基因的的DNA序列,用序列,用PCR 扩增技术或扩增技术或DNA 固相结合技术来固相结
15、合技术来获取人们所期望的各种基因片段;获取人们所期望的各种基因片段;(2)利用基因组测序数据,经生物信息学分析得)利用基因组测序数据,经生物信息学分析得到代表各个基因的数据,在利用到代表各个基因的数据,在利用PCR 技术或技术或DNA 固固相结合技术来获取人们所期望的各种基因片段。相结合技术来获取人们所期望的各种基因片段。第二十二页,讲稿共五十六页哦3.2 生物芯片的制作方法生物芯片的制作方法 生物芯片生物芯片微阵列的微阵列的制作技术制作技术按照按照制作方制作方法法可分为:可分为:原位合成原位合成和和预合成后点样预合成后点样。原位合成法原位合成法是由点样系统将探针的组成是由点样系统将探针的组成
16、部分逐步转移到基体上,同时实现探针合成部分逐步转移到基体上,同时实现探针合成和转移的目的。和转移的目的。预合成后点样预合成后点样是指制备芯片微阵列前,是指制备芯片微阵列前,要固定的探针已经合成好,点样系统需要做要固定的探针已经合成好,点样系统需要做的就是把这些合成好的样品涂印或喷涂在基的就是把这些合成好的样品涂印或喷涂在基体上。体上。第二十三页,讲稿共五十六页哦1、原位合成、原位合成光刻光刻DNA合成法合成法(将半导体工业中的光刻技术和(将半导体工业中的光刻技术和DNA化学合成相结合,把光不稳定保护基团保护的化学合成相结合,把光不稳定保护基团保护的4种种DNA模块固定在玻片上,通过光脱保护,用
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