《生物芯片》PPT课件.ppt

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1、第五章第五章 基因芯片技术基因芯片技术生物生物芯片芯片生物芯片技术是一种高通量检测技术。生物芯片技术是一种高通量检测技术。通常我们所说的生物芯片是将通常我们所说的生物芯片是将含不同生物信息的生物分子含不同生物信息的生物分子集集成成到一块芯片上到一块芯片上,用以同时分用以同时分析多种生物分子的信息。由于析多种生物分子的信息。由于常用玻片常用玻片/硅片作为固相支持硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。生物芯片技术。生物芯片（生物芯片（biochip）采用原位合成或微）采用原位合成或微量点样等方法，将大量

2、量点样等方法，将大量生物大分子生物大分子比如核比如核酸片段、多肽等等生物样品有序地固化于酸片段、多肽等等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与已子排列，然后与已标记的待测生物样品中标记的待测生物样品中靶分子杂交靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对）对杂交信号杂交信号的强度进行快速、并行、高效地的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。检测

3、分析，从而判断样品中靶分子的数量。人类染色体人类染色体人有多少基因?Fruit fly:13,000 genesHuman:28,000 genes.The surprisingly small number of genes in the human genome(100,000 expected;30,000 identified)was a major surprise from the project.HumanBeingsare99.99%thesameMillionsofdifferencesbetweenofus这二人的基因有什么不一样这二人的基因有什么不一样?先天愚型也称21三

4、体综合征(47XX+21)或Down综合征（唐氏综合征），属常染色体畸变遗传病蓝肤症：蓝色的人，整个十九世纪60年代，一个庞大的“蓝人”家族居住在肯德基州山上，紧挨着克里克联盟的印第安人。An enzyme called“NADH diaphorase,”(辅辅酶酶脱氢酶脱氢酶)。This enzyme repairs hemoglobin that has been damaged by oxidization.Humans in whom this gene is defective cannot make the enzyme,and accumulate damaged hemoglo

5、bin,which is blue.As a result,their skin appears blue.什么使他们俩不一样什么使他们俩不一样什么使他成这样什么使他成这样1、基因芯片基因芯片(Genechip)又称又称DNA芯片芯片(DNAChip)。将寡核苷酸分子固定于支持物上，然后与标记的样品进将寡核苷酸分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强弱进而判断样品中靶分行杂交，通过检测杂交信号的强弱进而判断样品中靶分子的数量子的数量 DNAMicroarry原理原理:DNA杂交杂交碱基互补碱基互补杂交是杂交是根据碱基互补的原理。探针分子固定于支持物上探针分子固定于支持

6、物上固定于支持物上的探针固定于支持物上的探针,与标记的样品进行杂交与标记的样品进行杂交利利用用基基因因探探针针到到基基因因混混合合物物中中识识别别特特定定基基因因。固定于支持物上的探针固定于支持物上的探针,与标记样品的碱基不互补与标记样品的碱基不互补则探针与样品不能进行杂交则探针与样品不能进行杂交通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析从而得到从而得到基因的表达水平基因的表达水平正常正常高表达高表达低表达低表达通过检测杂交信通过检测杂交信号的强弱进而判号的强弱进而判断样品中靶分子断样品中靶分子的数量的数量。DNA microarry 的优缺点的优缺点优点优点

7、:高效率高效率:同时检测成千的基因同时检测成千的基因敏感性高敏感性高方法不复杂方法不复杂缺点缺点:只能应用于只能应用于DNADNA和和RNARNA的研究（不能直接检测的研究（不能直接检测蛋白质）蛋白质）假阳性假阳性优点优点2、蛋白质芯片蛋白质芯片蛋白芯片是指将大量蛋白蛋白芯片是指将大量蛋白质分子质分子(蛋白质组蛋白质组)按预先按预先设置的排列固定于一种载设置的排列固定于一种载体表面行成微阵列，然后体表面行成微阵列，然后与要检测的组织或细胞等与要检测的组织或细胞等进行进行“杂交杂交”，再通过自，再通过自动化仪器分析得出结果。动化仪器分析得出结果。这里所指的这里所指的“杂交杂交”是指是指蛋白与蛋白

8、之间如蛋白与蛋白之间如(抗体与抗体与抗原抗原)在空间构象上能特异在空间构象上能特异性的相互识别。性的相互识别。蛋白质组蛋白质组(proteome)是指一个基因，一是指一个基因，一个细胞或组织所表个细胞或组织所表达的达的全部蛋白质成全部蛋白质成分分。蛋白质组学研。蛋白质组学研究的是在不同时间究的是在不同时间和空间发挥功能的和空间发挥功能的特定蛋白质群体，特定蛋白质群体，从而揭示和说明生从而揭示和说明生命活动的基本规律。命活动的基本规律。生物活性的蛋白质的产生生物活性的蛋白质的产生生物活性的蛋白质生物活性的蛋白质加工、修饰加工、修饰基因的转录基因的转录表达表达蛋白质前体蛋白质前体2蛋白质芯片的特点

9、蛋白质芯片的特点:蛋白质芯片是一种高通量的研究方法，能在一次实验中提蛋白质芯片是一种高通量的研究方法，能在一次实验中提供相当大的信息量，使我们能够全面、准确的研究蛋白表达供相当大的信息量，使我们能够全面、准确的研究蛋白表达谱。谱。蛋白质组芯片的灵敏度高，它可以检测出蛋白样品中微量蛋白质组芯片的灵敏度高，它可以检测出蛋白样品中微量蛋白的存在，蛋白的存在，检测水平已达检测水平已达ng级。级。蛋白质芯片具有高度的准确性。蛋白质芯片具有高度的准确性。蛋白质芯片蛋白质芯片的优缺点的优缺点优点优点:高效率高效率:同时检测成千个蛋白同时检测成千个蛋白敏感性高敏感性高缺点缺点:制作复杂制作复杂,成本较高成本较

10、高 现行没有令人满意蛋白质表达系统现行没有令人满意蛋白质表达系统生物芯片技术：生物芯片技术：芯片方阵的构建芯片方阵的构建样品的制备样品的制备生物分子反应信号的检测生物分子反应信号的检测1、芯片制备、芯片制备目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体载体，采用原位合成和微矩阵的方，采用原位合成和微矩阵的方法将寡核苷酸片段或法将寡核苷酸片段或cDNA作为探针按顺序排列在载体上。作为探针按顺序排列在载体上。2 2、样品制备、样品制备生物样品往往是复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一般不能直接生物样品往往是复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一般不能直接与芯片反应，

11、有时样品的量很小。所以，必须将样品进行提取、扩增，获取与芯片反应，有时样品的量很小。所以，必须将样品进行提取、扩增，获取其中的蛋白质或其中的蛋白质或DNA、RNA，然后用荧光标记，以提高检测的灵敏度和使，然后用荧光标记，以提高检测的灵敏度和使用者的安全性。用者的安全性。3、杂交反应、杂交反应杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行的反应产生一系列信息的过杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行的反应产生一系列信息的过程。选择合适的反应条件能使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分程。选择合适的反应条件能使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间的错配率。子之间的错配率。4、信号检测

12、和结果分析、信号检测和结果分析杂交反应后的芯片上各个反应点的荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪杂交反应后的芯片上各个反应点的荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件可以分析图像，将荧光转换成数据，即可以获得有关生物信和相关软件可以分析图像，将荧光转换成数据，即可以获得有关生物信息。息。基因芯片技术发展的最终目标是将从样品制备、杂交反应到信号检基因芯片技术发展的最终目标是将从样品制备、杂交反应到信号检测的整个分析过程集成化以获得微型全分析系统（测的整个分析过程集成化以获得微型全分析系统（micrototalanalyticalsystem）或称缩微芯片实验室（）或称缩微芯片实验室（laborat

13、oryonachip）。）。使用缩微芯片实验室，就可以在一个封闭的系统内以很短的时间完成从使用缩微芯片实验室，就可以在一个封闭的系统内以很短的时间完成从原始样品到获取所需分析结果的全套操作。原始样品到获取所需分析结果的全套操作。生物芯片的应用生物芯片的应用药物筛选和新药开发药物筛选和新药开发环境保护环境保护司法司法现代农业现代农业基因表达水平的检测基因表达水平的检测寻找新基因寻找新基因测序测序 疾病诊断疾病诊断个体化医疗个体化医疗1、药物筛选和新药开发、药物筛选和新药开发由于所有药物都是直接或间接地通过修饰、改变人类基因由于所有药物都是直接或间接地通过修饰、改变人类基因的表达及表达产物的功能而

14、生效，而芯片技术具有高通量、大的表达及表达产物的功能而生效，而芯片技术具有高通量、大规模、平行性地分析基因表达或蛋白质状况的能力，在药物筛规模、平行性地分析基因表达或蛋白质状况的能力，在药物筛选方面具有巨大的优势。选方面具有巨大的优势。2 2、环境保护、环境保护 在环境保护上，基因芯片可在环境保护上，基因芯片可以快速检测污染微生物或有机化合物对以快速检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、或因，制备防治危害的基因工程药品、或能够治理污染源的

15、基因产品。能够治理污染源的基因产品。3 3、司法、司法 通过通过DNADNA指纹对比来鉴定罪犯，指纹对比来鉴定罪犯，未来可以建立全国甚至全世界的未来可以建立全国甚至全世界的DNADNA指指纹库，到那时以直接在犯罪现场对可能纹库，到那时以直接在犯罪现场对可能是疑犯留下来的头发、唾液、血液、精是疑犯留下来的头发、唾液、血液、精液等进行分析，并立刻与液等进行分析，并立刻与DNADNA罪犯指纹罪犯指纹库系统存储的库系统存储的DNA“DNA“指纹指纹”进行比较，进行比较，以尽快、准确的破案。以尽快、准确的破案。4、现代农业、现代农业基因芯片技术可以用来筛选农作物的基基因芯片技术可以用来筛选农作物的基因突

16、变，并寻找高产量、抗病虫、抗干旱、因突变，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、商品检验检疫等领域。基因文库作图、商品检验检疫等领域。5、研究领域、研究领域包括基因表达检测、寻找新基因、杂交测序、基因突变包括基因表达检测、寻找新基因、杂交测序、基因突变和多态性分析以及基因文库作图以及等方面。和多态性分析以及基因文库作图以及等方面。6)DNA测序测序。芯片技术中杂交测序技术是一种新的高效快速测序方法。芯片技术中杂交测序技术是一种新的高效快速测序方法。如使用美国如使用美国Affymetrix公司公司1998年生产出的

17、带有万个基年生产出的带有万个基因探针的芯片就可以使人类因探针的芯片就可以使人类DNA解码速度提高了解码速度提高了25倍倍。7)寻找新基因。寻找新基因。有关实验表明在缺乏任何序列信息的条件下，有关实验表明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，如基因芯片也可用于基因发现，如HME基因和黑色素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。瘤生长刺激因子就是通过基因芯片技术发现的。8、疾病诊断、疾病诊断其优点有以下几个方面：其优点有以下几个方面：一是高度的灵敏性和准确性；一是高度的灵敏性和准确性；二是快速简便；二是快速简便；三是可同时检测多种疾病。三是可同时检测多种疾病。基因表

18、达水平的异常可引起疾病肿瘤细胞多种致癌基因表达升肿瘤细胞多种致癌基因表达升高高肿瘤细胞多种肿瘤抑制基因表肿瘤细胞多种肿瘤抑制基因表达降低达降低常染色体显性遗传性多囊肾 Polycystic Kidney Disease PKD1 和 PKD2 先天异常多在40岁以后发病半数出现肾衰遗传病遗传病 迟发型迟发型基因突变基因突变9.个体化用药个体化用药Individualized Chemotherapy种族、个体等因素都会导致种族、个体等因素都会导致遗传背景的差异，临床上，遗传背景的差异，临床上，同样剂量的药物对于不同患同样剂量的药物对于不同患者在药物疗效与副作用方面者在药物疗效与副作用方面会有很

19、大差异，如果利用基会有很大差异，如果利用基因芯片技术对患者进行诊断因芯片技术对患者进行诊断再开处方，就可以对患者实再开处方，就可以对患者实施个体化治疗。施个体化治疗。疾病一般不是由单个基因引疾病一般不是由单个基因引起的，起的，在治疗中很多同种疾在治疗中很多同种疾病的具体病因是因人而异的，病的具体病因是因人而异的，所以用药也因人而异。所以用药也因人而异。前景展望前景展望尽尽管管生生物物芯芯片片发发展展时时间间不不长长，迄迄今今在在医医学学研研究究实实际际应应用用中中的的例例子子还还不不多多，但但由由于于芯芯片片技技术术与与传传统统的的杂杂交交技技术术相相比比，有有检检测测系系统统微微型型化化，对对样样品品的的需需要要量量非非常常少少，效效率率高高，能能高高通通量量检检测测DNA序序列列，更更好好地地解解释释基基因因之之间间表表达达的的相相互互关关系系及及检检测测基基因因表表达达变变化化的的灵灵敏敏度度高高等等优优点点，基基因因芯芯片片在在医医学学上上的的应应用用前前景景无无疑疑是是非非常常广广阔阔的的。随随着着研研究究的的不不断断深深入入和和技技术术的的更更加加完完善善，基基因因芯芯片片一一定定会会在在生生命命科科学学研研究究领领域域发发挥挥出出其其非非凡凡的的作作用用。基基因因芯芯片片技技术术将将为为我我们们提提供供一一条条认识生命本质的捷径。认识生命本质的捷径。