生物芯片的分类及其应用.最新版-ppt优秀PPT.ppt

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1、生物芯片分类及其应用生物芯片分类及其应用主讲人：邵自星书目书目一、生物芯片的分类一、生物芯片的分类 1、基因芯片、基因芯片 2、蛋白质芯片、蛋白质芯片 3、芯片试验室、芯片试验室二、生物芯片的应用二、生物芯片的应用 1、基因表达分析、基因表达分析 2、基因型、基因突变和多态性分析、基因型、基因突变和多态性分析 3、疾病的诊断与治疗、疾病的诊断与治疗 4、药物探讨中的应用、药物探讨中的应用一、生物芯片的分类一、生物芯片的分类l生物芯片概念：是指通过微加工和微电子技术在固相基质表面构建微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物分子进行精确、快速、高通量筛选。l生物芯片分为三大类：

2、基因芯片、蛋白质芯片、芯片试验室，最近又出现了细胞芯片、组织芯片、糖芯片以及其他。基因芯片l基因芯片又称DNA芯片、DNA微阵列，是生物芯片技术中发展最成熟以及最先进入应用和实现商品化的技术。基因芯片的原理l在一块基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针。当溶液中带有荧光标记的核酸序列TATGCAATCTAG，与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列。据此可重组出靶核酸的序列。蛋白质芯片l定义：高密度的蛋白质阵列，是蛋白质阵列的发展。在几平方厘米的面积中可以包含几万个不同的蛋白质点，可用于大规模的分析。蛋白质芯片原理l蛋白芯片技

3、术的探讨对象是蛋白质，其原理是对固相载体进行特殊的化学处理，再将已知的蛋白分子产物固定其上(如酶、抗原、抗体、受体、配体、细胞因子等)，依据这些生物分子的特性，捕获能与之特异性结合的待测蛋白(存在于血清、血浆、淋巴、间质液、尿液、渗出液、细胞溶解液、分泌液等)，经洗涤、纯化，再进行确认和生化分析；它为获得重要生命信息(如未知蛋白组分、序列。体内表达水平生物学功能、与其他分子的相互调控关系、药物筛选、药物靶位的选择等)供应有力的技术支持。芯片试验室l芯片试验室（Lab-on-a-chip）或称微全分析系统（Micro Total Analysis System，or microTAS）是指把生物

4、和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分别检测等基本操作单位集成或基本集成于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。二、生物芯片的应用二、生物芯片的应用l生物芯片技术的出现和飞速发展引起国际上的广泛关注和重视。自从美国宣布正式启动生物芯片技术，随着世界各国也起先重视并加大对生物芯片的投入，以生物芯片为核心的相关生物技术产业正在全球崛起。l以下主要讲解并描述一下生物芯片在基因表达分析，基因型、基因突变和多态性分析，疾病的诊断与治疗，药物探讨中的应用。基因表达分析1、分析基因表达时空特征美国Stanford高校的V.R.Iyer等人，对成纤

5、维细胞中与细胞增生和损伤修复有关的基因进行了分析。首先，他们用成纤维细胞中的8600个基因片断制成基因芯片的探针阵列，通过与mRNA反转录形成的cDNA的杂交反应，可以推断出该基因的活性。在试验中，成纤维细胞被置于无养分的环境中，使绝大部分基因的活性关闭，两天后，加入10%的血清，24小时内，分6个不同的时间点，视察基因的活化状况。l试验结果表明，在全部被监测的基因中，约有500个基因最为活跃，而使细胞保持不分裂状态的基因活性被抑制。其中，最早被活化的是那些转录调控基因。在活化的基因中，有28个基因共同作用，限制细胞的增殖；8个与免疫反应的激活有关；19个与血管重建有关；另有很多基因，与血管新

6、生亲密相关。l通过基因芯片绘出基因表达的时空图谱，有助于人类相识生命活动过程和特征。基因表达分析2、基因差异表达检测对差异表达的探讨，可以推断基因与基因的相互关系，细胞分化中基因“开启”或“关闭”的机制；揭示基因与疾病的发生、发展、转归的内在联系。目前差异探讨方法主要有表达序列标签（ESTs）测序、差减克隆（subtractive cloning）、差异显示（differential display）、基因表达系列分析(serial analysis of gene expression,SAGE)。cDNA微阵列杂交可监测大量mRNA的转录，快速地检测出极其微量的mRNA，同时监测成千上万的

7、基因，是探讨基因功能的重要手段之一。基因表达分析l美国Stanford高校的David Botstein利用cDNA微阵列芯片，对乳腺癌细胞的基因表达进行了分析，发觉其基因表达水平明显低于正常细胞。l利用基因芯片对表达进行分析，在一次试验中可以获得相当于在60余万次传统的Northern杂交中所获得的关于基因表达的信息。l通过这种试验方法，可以建立一种全新的肿瘤分类学方法，即依据每个肿瘤细胞中的基因表达状况对肿瘤细胞进行分类。基因表达分析3、发觉新基因定量检测大量基因表达水平在阐述基因功能、探究疾病缘由及机理、发觉可能的诊断及治疗靶等方面是很有价值的。如该技术在炎症性疾病类风湿性关节炎（RA）

8、和炎症性肠病（IBD）的基因表达探讨中，由RA或IBD组织制备探针，用Cy3和Cy5荧光素标记，然后与靶cDNA微阵列杂交，可检测出炎症疾病诱导的基因如TNF-、IL或粒细胞集落刺激因子，同时发觉一些以前未发觉的基因如HME基因和黑色素瘤生长刺激因子。基因表达分析l在缺乏任何序列信息的条件下，微阵列可用于基因发觉和基因表达检测。l目前，大量人类ESTs给cDNA微阵列供应了丰富的资源，数据库中400,000个ESTs代表了全部人类基因，成千上万的ESTs微阵列将为人类基因表达探讨供应强有力的分析工具。这将大大地加速人类基因组的功能分析。基因表达分析4、大规模DNA测序芯片技术中杂交测序（seq

9、uencing by hybridization,SBH）技术及邻堆杂交（contiguous stacking hybridization,CSH）技术即是一种新的高效快速测序方法。用含65 536个8聚寡核苷酸的微阵列，接受SBH技术，可测定200 bp长DNA序列，接受67 108 864个13聚寡核苷酸的微阵列，可对数千个碱基长的DNA测序。基因表达分析lSBH技术的效率随着微阵列中寡核苷酸数量与长度的增加而提高，但微阵列中寡核苷酸数量与长度的增加则提高了微阵列的困难性，降低了杂交精确性。lCSH技术弥补了SBH技术存在的弊端，CSH技术的应用增加了微阵列中寡核苷酸的有效长度，加强了序

10、列精确性，可进行较长的DNA测序。l计算机模拟论证了8聚寡核苷酸微阵列与5聚寡核苷酸邻堆杂交，相当于13聚寡核苷酸微阵列的作用，可测定数千个核苷酸长的DNA序列。基因表达分析基因型、基因突变和多态性分析l在同一物种不同种群和个体之间，有着多种不同的基因型，而这种不同，往往与个体的不同性状和多种遗传性疾病有着亲密的关系。l通过对大量具有不同性状的个体的基因型进行比较，就可以得出基因与性状的关系。但是，由于大多数性状和遗传性疾病是由多个基因同时确定的，因此分析起来就特别困难，然而基因芯片技术恰恰解决了这一问题，利用其可以同时反应数千甚至更多个基因的特性，我们就可以分析基因组中不同基因与性状或疾病的

11、关系。人类的疾病与遗传基因亲密相关，基因芯片可以对遗传信息进行快速精确的分析，因此它在疾病的分子诊断中的优势是不言而喻的，就临床一种新的、强有力的分子工具。基因芯片技术已经被应用于感染性疾病、肿瘤和药物代谢等方面的探讨。疾病的诊断与治疗1、遗传病相关基因的定位我国有4 000万育龄妇女，每年有2 000万新生儿，精确检测遗传病基因是优生优育的技术保障。DNA芯片技术已成为基因定位探讨的高效工具。随着遗传病与癌症相关基因发觉数量的增加，变异与多态性分析将越来越重要。HGP使很多遗传疾病基因得以定位，协作运用多位PCR(multiplex-PCR)/DNA芯片可一次筛查多种遗传病，既经济快速又敏感

12、牢靠。疾病的诊断与治疗2、肿瘤诊断已用基因芯片检测人鼻咽癌、肺癌基因表达谱、肿瘤原癌基因和抑癌基因的发觉和定位。在艾滋病的治疗中，运用HIV蛋白酶抑制剂是一种重要的手段。然而，病毒对该药物的反应却有着很大的差异。利用基因芯片技术，探讨人员分析了取自102个病人的167个病毒单体，发觉这些同为美国HIV-I B亚种的病毒的基因序列存在极大差异，其中蛋白酶的基因片断差异最大，在编码99个氨基酸的序列中，竟有47.5%存在明显突变。这些氨基酸的突变，干脆导致了病毒抗药性的不同。疾病的诊断与治疗l人类恶性肿瘤中，约有60%与人类p53抑癌基因的突变有关，目前探讨人员已经研制成功了可以检测p53基因全部

13、编码区（外显子2外显子11）错意突变和单碱基缺失突变的基因芯片。以外显子7的第248个密码子为例，野生型为CGG，在芯片上做出5条探针，相应位点分别为GAC、GCC、GGC、GTC和G-C，依据杂交后的荧光显色图，就可以分析出该位点为何种突变。疾病的诊断与治疗3、感染性疾病的诊断lHIV-1基因组中rt与pro在疾病过程中易于发生多种变异，这些变异将导致病毒对多种抗病毒药物包括AZT、ddI、ddC等出现明显抗性，因此检测和分析rt与pro的变异与多态性具有重要的临床意义。疾病的诊断与治疗lHayward以3 648个插入片段建立猎枪微阵列(shotgun microarray)，通过差异杂交

14、和DNA测序找到了疟原虫无性和有性生殖阶段基因差异表达，为抗疟药设计供应了线索。l可以预料在不久的将来，人们可望在一张DNA芯片上检测几乎全部的病原微生物基因，实现真正意义上的“组合检测（profile tests）”。疾病的诊断与治疗l从经济效益来说，最大的应用领域可能是制药厂用来开发新药。所以已经有多家制药企业介入芯片的开发。如：Incyte Pharmaaceuticals Inc.，Sequana Therapeutics，Millenium Pharmaceuticals Inc.等。l对于找寻新药来说，目标之一是应用芯片可以在基因水平上找寻药物靶标。接受所谓“译码器”策略（Deco

15、der strategy）来确定药物靶标。从而找到“导向药物”。l基因芯片也被用于找寻蛋白激酶抑制物。细菌或肿瘤组织的耐药性也涉及基因变更可以用DNA芯片鉴定。药物探讨中的应用1、新药开发高通量的DNA芯片可发觉众多的新基因和新的靶分子用于新药的设计。噬菌体展示技术可创建大量蛋白质，目前多用于抗体库的建立和筛选，进而可用于受体-配体相互作用的探讨。基因组学、蛋白质组学和生物信息学（bioinformatics）将大大促进制药工业的发展。药物探讨中的应用l第一个生物分子工程药物Herceptin已用于乳癌的治疗，获得美国FDA的批准。l除肿瘤外，用分子生物工程设计的药物可用于治疗遗传病及代谢疾病

16、、抗苍老、设计新的抗生素和工业用酶等。l同时，有时一种药物的作用是多方面的，基因芯片有助于发觉一种药物的新的功能。原先设想的作用是针对某一靶标的，但在全基因或广范围筛选中却发觉该药在另一方面有很强的抑制作用，从而开发成另一种新药。药物探讨中的应用2、调查药物处理细胞后基因的表达状况Clarke等用基因芯片探讨了肠癌患者化疗前和治疗期间肿瘤基因表达状况，发觉丝裂霉素C和5-氟尿嘧啶治疗均可使糖苷合成酶和尿嘧啶-DNA糖基酶的基因表达增加。该探讨提示，这类探讨既有助于阐明药物的作用机制，也有助于确定药物作用的靶基因，为新药探讨供应线索。药物探讨中的应用3、对药物进行毒性评价对药物进行毒性评价应用芯

17、片查找药物的毒性或副作用，进行毒理学探讨。尤其是慢应用芯片查找药物的毒性或副作用，进行毒理学探讨。尤其是慢性毒性和副作用，往往涉及基因或基因表达的变更。性毒性和副作用，往往涉及基因或基因表达的变更。假如药物能抑制重要基因的表达，则对它的深化探讨就值得考虑。假如药物能抑制重要基因的表达，则对它的深化探讨就值得考虑。用芯片作大规模的表达探讨往往可省略大量的动物试验。用芯片作大规模的表达探讨往往可省略大量的动物试验。若某个正在筛选的潜在药物作用靶细胞得到的基因表达图谱与已若某个正在筛选的潜在药物作用靶细胞得到的基因表达图谱与已知的具有毒性副作用的药物得到的基因表达图谱相像时，就要知的具有毒性副作用的

18、药物得到的基因表达图谱相像时，就要考虑是否停止药物开发（考虑是否停止药物开发（drug development）中花费巨大的临）中花费巨大的临床试验阶段。床试验阶段。药物探讨中的应用lNuwaysir等研制了包括涉及细胞凋亡、DNA复制和修复、氧化应激/氧化还原内稳态、过氧化物酶体增殖反应、二恶英/多环芳烃反应、雌激素、激酶、磷酸酶、热休克蛋白、受体、细胞色素P450等共2 090个基因的毒理芯片(ToxChip v1.0),该芯片既可用于毒物的检测和遗传多态性的检测，又可用于受检毒物的毒作用机制的探讨。lHolden等从人和小鼠文库反应、看家基因、癌基因和抑癌基因、细胞周期限制、转录因子中选择约600个与毒理学相关基因的cDNA克隆，制备了种属特异的毒理基因组学芯片，可探讨肝脏毒性、内分泌干扰、致癌作用等毒性终点的作用机制，也可用于确定以基因表达模式为基础的化合物的毒性。药物探讨中的应用感谢！