第七章生物信息学与生物芯片技术课件.ppt

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1、第七章生物信息学与生物芯片技术第1页，此课件共46页哦主要内容主要内容7.1 基因芯片原理与应用基因芯片原理与应用7.2 蛋白质芯片原理与应用蛋白质芯片原理与应用第2页，此课件共46页哦生物芯片技术生物芯片技术是是2020世纪世纪9090年代中期以来影响最深年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一，是融远的重大科技进展之一，是融微电子学微电子学、生物学生物学、物理学物理学、化学化学、计算机科学计算机科学为一体的高度交叉为一体的高度交叉的新技术，具有重大的基础研究价值，又具有的新技术，具有重大的基础研究价值，又具有明显的产业化前景。明显的产业化前景。第3页，此课件共46页哦 1995年秋天，在斯

2、坦福大学做博士后的年秋天，在斯坦福大学做博士后的Mark Schena(M.谢纳）等人在谢纳）等人在Science杂志上发表论文，第一杂志上发表论文，第一次成功地应用了基因芯片技术对拟南芥的基因表达进行了次成功地应用了基因芯片技术对拟南芥的基因表达进行了分析。标志着基因芯片进入了广泛应用的新阶段。分析。标志着基因芯片进入了广泛应用的新阶段。Mark Schena,Dari Shalon,Ronald W.Davis,and Patrick O.Brown.Quantitative Monitoring of Gene Expression Patterns with a Complementa

3、ry DNA Microarray.Science,1995:467-470.第4页，此课件共46页哦生物芯片生物芯片:是将生物分子是将生物分子(寡聚核苷酸、寡聚核苷酸、cDNA、基因组基因组DNA、多肽、抗原、抗体等多肽、抗原、抗体等)固定于硅片、玻璃片、塑固定于硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质上形成的生物分子点阵。料片、凝胶、尼龙膜等固相介质上形成的生物分子点阵。生物芯片技术生物芯片技术是生命科学研究中继是生命科学研究中继基因克隆技术、基因克隆技术、基因自动测序技术、基因自动测序技术、PCR 技术技术后的又一次革命性后的又一次革命性技术突破。技术突破。第5页，此课件共46页哦生

4、物芯片生物芯片基因芯片基因芯片蛋白质芯片蛋白质芯片生物芯片的特点：生物芯片的特点：1 1）高度集成）高度集成2 2）微型化）微型化3 3）自动化）自动化4 4）快速）快速第6页，此课件共46页哦7.1 基因芯片原理与应用基因芯片原理与应用第7页，此课件共46页哦一、基因芯片基本原理一、基因芯片基本原理基因芯片（基因芯片（gene chip），又称），又称DNA微阵列微阵列（microarray），是由大量），是由大量DNA或寡核苷酸探针密集或寡核苷酸探针密集排列所形成的探针阵列，排列所形成的探针阵列，其工作的基本原理是通过杂交其工作的基本原理是通过杂交检测信息检测信息。基因芯片把大量已知序列探

5、针集成在同一个基片上，基因芯片把大量已知序列探针集成在同一个基片上，经过标记的若干靶核酸序列通过与芯片特定位置上的经过标记的若干靶核酸序列通过与芯片特定位置上的探针杂交探针杂交,便可根据碱基互补匹配的原理确定靶基因便可根据碱基互补匹配的原理确定靶基因的序列。的序列。第8页，此课件共46页哦DNA微阵列（微阵列（microarray）第9页，此课件共46页哦第10页，此课件共46页哦Affymetrix公司（昂飞）公司（昂飞）由美国著名科学家斯蒂文由美国著名科学家斯蒂文弗尔多博士弗尔多博士(Stephen Fodor)在在1992年创办年创办,总部位于美国加利福尼亚州硅谷。公总部位于美国加利福尼

6、亚州硅谷。公司于司于1996年在美国纳斯达克年在美国纳斯达克(NASDAQ)上市。公司在加州首府上市。公司在加州首府Sacramento、Emeryville、波士顿、英国伦敦、日本东京、新加、波士顿、英国伦敦、日本东京、新加坡都设有分部。坡都设有分部。昂飞是生物芯片产业的先驱，公司长期与美国国立卫生研究院、斯昂飞是生物芯片产业的先驱，公司长期与美国国立卫生研究院、斯坦福大学、麻省理工、哈佛、耶鲁、加州大学伯克利等世界知名院坦福大学、麻省理工、哈佛、耶鲁、加州大学伯克利等世界知名院校和研究所合作校和研究所合作,在生物芯片行业中始终处于国际领先地位。在生物芯片行业中始终处于国际领先地位。美国昂飞

7、公司美国昂飞公司http:/ http:/ mer左右，一般通过在片（原位）左右，一般通过在片（原位）合成方法得到，合成方法得到，这类芯片既可用于这类芯片既可用于mRNA的表达监的表达监控，也可以用于核酸序列分析控，也可以用于核酸序列分析。第17页，此课件共46页哦根据探针标记方法，基因芯片也可分为两类根据探针标记方法，基因芯片也可分为两类1 1）同位素标记探针）同位素标记探针32P、33P2 2）非同位素标记探针）非同位素标记探针生物素、地高辛生物素、地高辛第18页，此课件共46页哦一是在片合成法一是在片合成法在片合成法是基于组合化学的合成原理。在片合成在片合成法是基于组合化学的合成原理。在

8、片合成法制备法制备DNA芯片的关键是高空间分辨率的模板定位芯片的关键是高空间分辨率的模板定位技术和固相合成化学技术的精巧结合。技术和固相合成化学技术的精巧结合。另一种方法是点样法另一种方法是点样法首先首先按常规方法制备按常规方法制备cDNA（或寡核苷酸）探针（或寡核苷酸）探针库，库，然后然后通过特殊的针头或微喷头通过特殊的针头或微喷头,分别把不同的探分别把不同的探针溶液，逐点分配在固相基底表面上的不同位点针溶液，逐点分配在固相基底表面上的不同位点,并并通过物理或化学的结合使探针被固定于芯片的相应位点。通过物理或化学的结合使探针被固定于芯片的相应位点。（二）基因芯片的制备（主要有两种基本方法（二

9、）基因芯片的制备（主要有两种基本方法）第19页，此课件共46页哦（三）样品制备及芯片杂交（三）样品制备及芯片杂交根据基因芯片的检测目的不同根据基因芯片的检测目的不同,可以把样品制备方法分可以把样品制备方法分为：为：11）用于表达谱测量的）用于表达谱测量的mRNA样品制备样品制备22）用于多态性）用于多态性(或突变或突变)研究的基因样品的制备研究的基因样品的制备第20页，此课件共46页哦杂交：杂交：检测过程平行化，可以同时检测成百上千的基因序列，检测过程平行化，可以同时检测成百上千的基因序列，而且由于集成的显微化，使得杂交所需的探针及待检测样而且由于集成的显微化，使得杂交所需的探针及待检测样品均

10、大为减少，杂交时间明显缩短，一般的分子杂交过程品均大为减少，杂交时间明显缩短，一般的分子杂交过程可在可在3030分钟内完成。分钟内完成。常规：常规：1 1）杂交时间长）杂交时间长4-244-24h2）样品处理数量少（样品处理数量少（1-1-几个）几个）第21页，此课件共46页哦（四）杂交信号检测四）杂交信号检测对于用荧光素标记经扩增（也可用其他放大技术）的序对于用荧光素标记经扩增（也可用其他放大技术）的序列或样品，与芯片上的探针进行杂交，然后冲洗，采集列或样品，与芯片上的探针进行杂交，然后冲洗，采集荧光图像荧光图像。图像的采集用荧光显微镜、激光共聚焦显微镜、图像的采集用荧光显微镜、激光共聚焦显

11、微镜、激激光扫描仪光扫描仪、半导体传感器半导体传感器等进行。等进行。第22页，此课件共46页哦三、生物信息学在基因芯片中的应用三、生物信息学在基因芯片中的应用生物信息学在基因芯片中的应用主要体现在三个生物信息学在基因芯片中的应用主要体现在三个方面方面:确定芯片检测目标确定芯片检测目标芯片设计芯片设计实验数据管理与分析实验数据管理与分析第23页，此课件共46页哦（一）药物筛选和新药开发（一）药物筛选和新药开发由于所有药物（或兽药）都是直接或间接地通过修饰、由于所有药物（或兽药）都是直接或间接地通过修饰、改变人类（或相关动物）基因的表达及表达产物的功能而改变人类（或相关动物）基因的表达及表达产物的

12、功能而生效，而芯片技术具有高通量、大规模、平行性地分析基生效，而芯片技术具有高通量、大规模、平行性地分析基因表达的能力，在药物筛选方面具有巨大的优势。用芯片因表达的能力，在药物筛选方面具有巨大的优势。用芯片作大规模的筛选研究可以省略大量的动物试验甚至临床，作大规模的筛选研究可以省略大量的动物试验甚至临床，缩短药物筛选所用时间，提高效率，降低风险。缩短药物筛选所用时间，提高效率，降低风险。四、基因芯片的应用四、基因芯片的应用第24页，此课件共46页哦（二）疾病诊断（二）疾病诊断基因芯片作为一种先进的、大规模、高通量检测技基因芯片作为一种先进的、大规模、高通量检测技术，应用于疾病的诊断，其优点有以

13、下几个方面：一术，应用于疾病的诊断，其优点有以下几个方面：一是高度的灵敏性和准确性；二是快速简便；三是可同是高度的灵敏性和准确性；二是快速简便；三是可同时检测多种疾病。时检测多种疾病。采用基因芯片技术，疾病的早期诊断率将大大提高，而误采用基因芯片技术，疾病的早期诊断率将大大提高，而误诊率会大大降低，同时有利于医生综合地了解各个系统的疾诊率会大大降低，同时有利于医生综合地了解各个系统的疾病状况。病状况。第25页，此课件共46页哦（三）环境保护（三）环境保护在环境保护上，基因芯片也广泛的用途，一方面可以快速检在环境保护上，基因芯片也广泛的用途，一方面可以快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、

14、动植物的污染和危害，测污染微生物或有机化合物对环境、人体、动植物的污染和危害，同时也能够通过大规模的筛选寻找保护基因，制备防治危害的基同时也能够通过大规模的筛选寻找保护基因，制备防治危害的基因工程药品、或能够治理污染源的基因产品。因工程药品、或能够治理污染源的基因产品。（四）司法（四）司法如果建立全国甚至全世界的如果建立全国甚至全世界的DNA指纹库，可直接在犯罪现场指纹库，可直接在犯罪现场对疑犯留下来的头发、唾液、血液、精液等进行分析，并与对疑犯留下来的头发、唾液、血液、精液等进行分析，并与DNA指纹库系统进行比较，以快速、准确地破案。目前，科学家正指纹库系统进行比较，以快速、准确地破案。目前

15、，科学家正着手于将生物芯片技术应用于亲子鉴定中，应用生物芯片后，鉴定着手于将生物芯片技术应用于亲子鉴定中，应用生物芯片后，鉴定精度将大幅提高。精度将大幅提高。第26页，此课件共46页哦基因芯片技术可以用来筛选农作物的基因突变，基因芯片技术可以用来筛选农作物的基因突变，并寻找高产量、抗病虫、抗干旱、抗冷冻的相关基并寻找高产量、抗病虫、抗干旱、抗冷冻的相关基因，也可以用于基因扫描及基因文库作图、商品检因，也可以用于基因扫描及基因文库作图、商品检验检疫等领域。目前该类市场尚待开发。验检疫等领域。目前该类市场尚待开发。（五）现代农业（五）现代农业第27页，此课件共46页哦（六）研究领域（六）研究领域一

16、组寡核苷酸探针TATGCAATCTAGCGTTAGATACGTTAGAATACGTTAGATCTACGTTAG由杂交位置确定的一组核酸探针序列GTTAGATC杂交探针组TATGCAATCTAG重组的互补序列靶序列TACGTTAGACGTTAGAATACGTTACGTTAGATGTTAGATCATACGTTA1 1测定未知序列测定未知序列第28页，此课件共46页哦2 2DNA序列突变检测分析序列突变检测分析有两种方法可以进行已知突变点的分析有两种方法可以进行已知突变点的分析:一种方法是对于目标序列上已知的突变点，以该点为中心，从目标序列选一种方法是对于目标序列上已知的突变点，以该点为中心，从目标

17、序列选取一个片段，作为设计探针的参考序列。根据参考序列，分别设计四个高取一个片段，作为设计探针的参考序列。根据参考序列，分别设计四个高度特异的探针，这四个探针除中心位置外均相同并与参考序列互补。度特异的探针，这四个探针除中心位置外均相同并与参考序列互补。另一种方法是对于目标序列上已知的突变点，分别设计四组探针，其中每另一种方法是对于目标序列上已知的突变点，分别设计四组探针，其中每一组探针分别检测一种核苷酸替换。同一组中的各个探针长度相同，相互一组探针分别检测一种核苷酸替换。同一组中的各个探针长度相同，相互之间交叠，并且每个探针均覆盖对应的突变点。之间交叠，并且每个探针均覆盖对应的突变点。第29

18、页，此课件共46页哦第30页，此课件共46页哦33SNP分析分析同一物种的不同个体基因组约有同一物种的不同个体基因组约有99.999.9相同，正是相同，正是0.10.1的不同才体现了个体的差异或多样性。的不同才体现了个体的差异或多样性。单核苷酸多态性（单核苷酸多态性（SNP)：是指基因组内特定核苷是指基因组内特定核苷酸位置上存在两种不同的碱基，其中最小一种在群酸位置上存在两种不同的碱基，其中最小一种在群体中的频率不小于体中的频率不小于1 1。人人-3-30.10.1序列变化序列变化11-改变蛋白质功能改变蛋白质功能900900个个基因产物不同。与生物进化历程、种族关系、疾病发生基因产物不同。与

19、生物进化历程、种族关系、疾病发生相关。相关。第31页，此课件共46页哦4、基因表达分析、基因表达分析基因表达是以基因的基因表达是以基因的DNA为模板进行为模板进行mRNA转录和蛋白质翻译转录和蛋白质翻译合成的过程，各种基因的表达存在差异，一种组织中不同基因表合成的过程，各种基因的表达存在差异，一种组织中不同基因表达水平的差异可达达水平的差异可达1万倍万倍。功能基因研究的一种重要的方法就是。功能基因研究的一种重要的方法就是采用高通量采用高通量基因表达检测基因表达检测技术，全面分析基因的表达水平，了技术，全面分析基因的表达水平，了解基因的功能。解基因的功能。第32页，此课件共46页哦第33页，此课

20、件共46页哦5、寻找新基因、寻找新基因在缺乏任何序列信息的条件下，基因芯片也可用于基因发现。如在缺乏任何序列信息的条件下，基因芯片也可用于基因发现。如HME基因和黑色素瘤生长刺激因子就是通过基因芯片技术发现的。基因和黑色素瘤生长刺激因子就是通过基因芯片技术发现的。目前，大量涌现的人类目前，大量涌现的人类ESTs给给cDNA微阵列提供了丰富的序列微阵列提供了丰富的序列资源，数据库中资源，数据库中ESTs代表了人类基因，因此代表了人类基因，因此ESTs微阵列可在缺乏微阵列可在缺乏其它序列信息的条件下用于基因发现和基因表达检测，从而加快人其它序列信息的条件下用于基因发现和基因表达检测，从而加快人类基

21、因组功能分析的进程。类基因组功能分析的进程。第34页，此课件共46页哦7.2 蛋白质芯片原理与应用蛋白质芯片原理与应用第35页，此课件共46页哦蛋白质芯片的提出蛋白质芯片的提出DNA芯片的成功证明了生物芯片是可行的DNA芯片对医学与生物学研究产生了巨大影响芯片对医学与生物学研究产生了巨大影响DNA芯片成为研究活体基因组的强有力工具芯片成为研究活体基因组的强有力工具DNA芯片不能作为蛋白质检测的直接依据mRNA与蛋白质表达水平不直接相关与蛋白质表达水平不直接相关蛋白质组计划需要一种新的蛋白质分析技术第36页，此课件共46页哦尽管还存在许多问题尽管还存在许多问题,2000,2000年秋天年秋天,S

22、chreiber小组展示了他们可以制造高密度蛋白小组展示了他们可以制造高密度蛋白质芯片并且保持蛋白质成键能力的技术。质芯片并且保持蛋白质成键能力的技术。第37页，此课件共46页哦蛋白芯片技术的基本原理是将各种蛋蛋白芯片技术的基本原理是将各种蛋白质有序地固定于滴定板、滤膜和载玻片白质有序地固定于滴定板、滤膜和载玻片等各种载体上成为检测用的芯片等各种载体上成为检测用的芯片；然后然后，用标记了特定荧光抗体的蛋白质或其他成用标记了特定荧光抗体的蛋白质或其他成分与芯片作用分与芯片作用，经漂洗将未能与芯片上的蛋经漂洗将未能与芯片上的蛋白质互补结合的成分洗去白质互补结合的成分洗去；再利用荧光扫描再利用荧光扫

23、描仪或激光共聚焦扫描技术仪或激光共聚焦扫描技术，测定芯片上各测定芯片上各点的荧光强度点的荧光强度，通过荧光强度分析蛋白质通过荧光强度分析蛋白质与蛋白质之间相互作用的关系与蛋白质之间相互作用的关系，由此达到由此达到测定各种蛋白质功能的目的。测定各种蛋白质功能的目的。一、一、蛋白质蛋白质芯片基本原理芯片基本原理蛋白质固定蛋白质固定（探针）（探针）杂交杂交扫描成像或进扫描成像或进行质谱分析行质谱分析蛋白质功能鉴定蛋白质功能鉴定第38页，此课件共46页哦第39页，此课件共46页哦1 1）保持蛋白质的活性。）保持蛋白质的活性。2 2）保证蛋白质正确定位。）保证蛋白质正确定位。3 3）与现存的）与现存的m

24、RNA芯片研究工具要相兼容。芯片研究工具要相兼容。4 4）缺乏与）缺乏与PCR等价的蛋白质扩增技术，因而对低丰度等价的蛋白质扩增技术，因而对低丰度蛋白质的检测是蛋白质芯片技术的极大挑战。蛋白质的检测是蛋白质芯片技术的极大挑战。蛋白质芯片要解决的问题：蛋白质芯片要解决的问题：第40页，此课件共46页哦蛋白质活性保持蛋白质活性保持在制备芯片过程中在制备芯片过程中,为了保证被固定在载体上的蛋为了保证被固定在载体上的蛋白质依然保持天然的构象和生物学活性白质依然保持天然的构象和生物学活性,他们在蛋白他们在蛋白质点样的磷酸缓冲液（质点样的磷酸缓冲液（PBS)PBS)中加入中加入40%的甘油的甘油,以防止以

25、防止因液体的蒸发而造成的蛋白质变性。因液体的蒸发而造成的蛋白质变性。第41页，此课件共46页哦弹性蛋白模弹性蛋白模拟物拟物亮氨酸链亮氨酸链蛋白质固定蛋白质固定化学表面型蛋白质芯片化学表面型蛋白质芯片和和生物表面型蛋白质芯生物表面型蛋白质芯片片。化学表面芯片化学表面芯片又可又可分为疏水型、亲水型、弱分为疏水型、亲水型、弱阳离子、强阴离子、金属阳离子、强阴离子、金属离子螯合、特异结合等，离子螯合、特异结合等，以适用检测不同情况下蛋以适用检测不同情况下蛋白表达。白表达。生物表面芯片生物表面芯片人又可分为抗原人又可分为抗原-抗体、抗体、受体受体-配体、配体、DNADNA蛋白蛋白质、酶等芯片。质、酶等芯

26、片。第42页，此课件共46页哦二、二、蛋白质蛋白质芯片的应用芯片的应用蛋白质芯片技术具有快速、并行、自动化和高通量的特蛋白质芯片技术具有快速、并行、自动化和高通量的特点点,它能同时对全基因组水平的上千种不同蛋白质进行分析它能同时对全基因组水平的上千种不同蛋白质进行分析,是蛋白质组研究的重要手段。目前已经广泛应用于是蛋白质组研究的重要手段。目前已经广泛应用于蛋白质蛋白质表达谱的分析表达谱的分析、蛋白质功能蛋白质功能及及蛋白质蛋白质-蛋白质间相互作用蛋白质间相互作用的研究、临床疾病的研究、临床疾病(如肿瘤等如肿瘤等)的诊断和疗效评价、药物的诊断和疗效评价、药物新靶点的筛选和新药的研制新靶点的筛选和

27、新药的研制等各个领域。等各个领域。第43页，此课件共46页哦1 1、蛋白质研究方面的应用、蛋白质研究方面的应用蛋白质芯片技术目前是蛋白质组学研究中最具有应用蛋白质芯片技术目前是蛋白质组学研究中最具有应用前景的一项技术。前景的一项技术。1 1）氨基酸序列测定（与质谱联用）。）氨基酸序列测定（与质谱联用）。2 2）差异表达蛋白的筛选鉴定。）差异表达蛋白的筛选鉴定。第44页，此课件共46页哦22研究蛋白质的相互作用研究蛋白质的相互作用包括蛋白质包括蛋白质-蛋白质相互作用、蛋白质蛋白质相互作用、蛋白质-RNA相相互作用、蛋白质互作用、蛋白质-DNA相互作用相互作用第45页，此课件共46页哦3、临床方面

28、的应用临床方面的应用蛋白质芯片技术在临床方面有着广泛的应用。尤其是在疾病蛋白质芯片技术在临床方面有着广泛的应用。尤其是在疾病的诊断和疗效判定的诊断和疗效判定,即即生物学标志物生物学标志物的检测上的检测上,蛋白质芯片蛋白质芯片技术具有很大的应用价值和前景。技术具有很大的应用价值和前景。建立疾病的蛋白质表型指纹建立疾病的蛋白质表型指纹(phenomic fingerprint)。利用疾病的表型指纹库利用疾病的表型指纹库,我们便可以对各种疾病进行诊断。我们便可以对各种疾病进行诊断。疾病的蛋白质表型指纹：疾病的蛋白质表型指纹：某一疾病组织与健康组织在蛋白质表达量方面的差异某一疾病组织与健康组织在蛋白质表达量方面的差异。第46页，此课件共46页哦