1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基因芯片文獻(xiàn)綜述摘要：基因芯片技術(shù)是伴隨著人類基因組計(jì)劃的實(shí)施而發(fā)展起來的生命科學(xué)領(lǐng)域里的前沿生物技術(shù)。目前，人們對(duì)疾病的分類和診斷的水平已經(jīng)有了進(jìn)一步的提高，基于基因芯片的特征選擇技術(shù)在其中起到了關(guān)鍵性的作用。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，基因芯片技術(shù)也在不斷完善、成熟，并廣泛運(yùn)用于生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。本文重點(diǎn)介紹基因芯片技術(shù)的進(jìn)展、分類、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前景。關(guān)鍵詞： 基因芯片技術(shù)背景，分類 ，應(yīng)用領(lǐng)域，展望1基因芯片技術(shù)背景1.1技術(shù)背景 20世紀(jì)80年代啟動(dòng)的由多個(gè)國(guó)家參加的人類基因組計(jì)劃，被稱為是繼曼哈頓原子計(jì)劃、阿波羅登月計(jì)劃之后的第三大科學(xué)計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃的完成對(duì)人類認(rèn)

2、識(shí)自身，提高健康水平，推動(dòng)生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)、制藥業(yè)、農(nóng)業(yè)等的發(fā)展具有極其重要的意義。隨著人類基因組計(jì)劃(Human Genome Project, HGP)的完成以及分子生物學(xué)相關(guān)學(xué)科的迅猛發(fā)展，極大地帶動(dòng)了人類疾病相關(guān)基因以及病原微生物基因的定位、克隆、結(jié)構(gòu)與功能研究，基因芯片(gene chip)就是在這個(gè)背景下發(fā)展起來的一項(xiàng)分子生物學(xué)新技術(shù)1。1.2基因芯片概念 基因芯片即DNA芯片或DNA微陣列，大小如指甲蓋一般，每個(gè)芯片的基而上都可以劃分出數(shù)萬至數(shù)百萬個(gè)小區(qū)，在指定的小區(qū)內(nèi)，可固定大量具有特定功能、長(zhǎng)約20個(gè)堿基序列的核酸分子。它是把大量己知序列探針集成在同一個(gè)基片(如玻片、

3、膜)上2-4，經(jīng)過標(biāo)記的若干靶核苷酸序列與芯片特定位點(diǎn)上的探針雜交，通過檢測(cè)雜交信號(hào)，對(duì)生物細(xì)胞或組織中大量的基因信息進(jìn)行分析。1.3基因芯片特點(diǎn) 其突出特點(diǎn)在十高度并行性、多樣性、微型化和自動(dòng)化。高度的并行性不僅可以大大提高實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，而且有利于DNA芯片技術(shù)所展示圖譜的快速對(duì)照和閱讀。多樣性可以在單個(gè)芯片中同時(shí)一進(jìn)行樣品的多參數(shù)分析，從而避免因不同實(shí)驗(yàn)條件產(chǎn)生的誤差，大大提高分析的精確性。微型化可以減少試劑用量和減小反應(yīng)液體積，降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。高度自動(dòng)化則可以降低制造芯片的成本和保證芯片的制造質(zhì)量5。1995年Science雜志首次報(bào)道了Schena等人用DNA微陣列技術(shù)并行檢測(cè)擬南芥多個(gè)基

4、因的表達(dá)水平。1994年第一張商業(yè)化基因芯片由Affymetrix公司推出。二分類 基因芯片有不同的分類方法：按其片基不同可分為無機(jī)片基芯片和有機(jī)合成片基芯片；按其應(yīng)用不同，可分為表達(dá)譜芯片、診斷芯片、檢測(cè)芯片；按其制備方法不同可分為原位合成芯片和合成后交聯(lián)芯片(合成后點(diǎn)樣芯片)；最常用的還是按載體上所點(diǎn)探針的長(zhǎng)度分為cDNA芯片和寡核苷酸芯片兩種。1）cDNA芯片：由Schena建立，將特定的cDNA經(jīng)PCR擴(kuò)增后借助機(jī)械手直接點(diǎn)到基片上；2)寡核苷酸芯片：由Fodor首先報(bào)道，用照相平板印刷術(shù)和固相合成技術(shù)在基片上生成寡核苷酸，分為長(zhǎng)寡核苷酸芯片和短寡核苷酸芯片，與cDNA芯片制作的一個(gè)主

5、要不同點(diǎn)是多一步轉(zhuǎn)錄獲得cRNA的過程。幾種基因芯片技術(shù)的比較見表16。 表1 幾種基因芯片技術(shù)的比較3 基因芯片的應(yīng)用3.1應(yīng)用領(lǐng)域隨著基因芯片技術(shù)的日漸成熟，在功能基因組、疾病基因組、系統(tǒng)生物學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，己經(jīng)發(fā)表了上萬篇研究論文，每年發(fā)表的論文呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用基因芯片的產(chǎn)生為分子生物學(xué)基礎(chǔ)研究提供了一個(gè)巨大的技術(shù)平臺(tái)，從誕生以來就被廣泛應(yīng)用于各個(gè)方面。基因芯片應(yīng)用最多的一個(gè)方面是基因表達(dá)分析。與傳統(tǒng)方法一次只能研究某個(gè)基因的表達(dá)情況不同，利用基因芯片高通量的特性，可以在很短時(shí)間內(nèi)測(cè)定不同功能狀態(tài)、不同組織部位基因的差異表達(dá)，得到特異的基因表達(dá)譜，大大提高

6、對(duì)相關(guān)基因研究的效率。基因芯片技術(shù)以一種全新、系統(tǒng)的科研思維方式研究生物體，使揭示早期發(fā)育、分化、衰老、癌變等一系列復(fù)雜生命現(xiàn)象成為可能7-8。由于基因芯片(gene chip)技術(shù)具有微型化、集約化和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，所以在分子生物學(xué)研究、生物制藥領(lǐng)域和環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)臨床檢驗(yàn)包括獸醫(yī)臨床顯示出了超凡的生命力9。在以功能基因?yàn)檠芯恐黧w的后基因時(shí)代，利用基因的基礎(chǔ)確定基因的功能及其在不同情況下的表達(dá)狀況。傳統(tǒng)的分子生物學(xué)的手段需要花費(fèi)大量的人力物力并無法滿足大多數(shù)生命現(xiàn)象及與多個(gè)基因有關(guān)的情況。基因芯片技術(shù)的出現(xiàn)使得大規(guī)模地分析基因的功能及其在各種情況下的表達(dá)狀況成為可能。3.2基因芯片檢測(cè)微生

7、物的實(shí)用性與優(yōu)越性基因芯片技術(shù)雖然脫胎于核酸雜交技術(shù)，并利用PCR技術(shù)制備檢測(cè)模板，但基因芯片在許多方面是后兩種技術(shù)所無法比擬的10。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：可實(shí)現(xiàn)樣品的高通量檢測(cè)。高密度基因芯片可同時(shí)對(duì)成千上萬個(gè)樣品進(jìn)行檢測(cè)與分析，極大地加快了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，提高檢測(cè)速度；可對(duì)大量樣品進(jìn)行并行檢測(cè)。在模板與探針進(jìn)行雜交時(shí)，反應(yīng)體積和條件完全一致，排除了實(shí)驗(yàn)過程中人為的或由其它因素引起的各種誤差，保證了檢測(cè)結(jié)果的精確性和準(zhǔn)確性；分析過程中可采用多色熒光(可多達(dá)4種)對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)記，同時(shí)對(duì)多個(gè)生物樣品進(jìn)行分析，減少了人為因素的干擾，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性；反應(yīng)體積小，降低了試劑的消耗；反應(yīng)物在單位體積內(nèi)濃

8、度高，反應(yīng)快，縮短檢測(cè)時(shí)間；特異性較強(qiáng)。芯片檢測(cè)一般分為模板的獲取和雜交檢測(cè)兩部分。采用PCR技術(shù)制備模板具有較強(qiáng)的特異性，雜交反應(yīng)同樣特異性較強(qiáng)。因此，基因芯片檢測(cè)的特異性與傳統(tǒng)的PCR結(jié)合探針雜交檢測(cè)的特異性一致；可完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及快速檢測(cè)。在芯片制備和結(jié)果檢測(cè)以及信號(hào)分析、處理過程中采用計(jì)算機(jī)控制，使分析、檢測(cè)結(jié)果更為客觀、準(zhǔn)確。3.3基因芯片技術(shù)檢測(cè)微生物存在的問題基因芯片技術(shù)充分利用了生物學(xué)、信息學(xué)等當(dāng)今前沿科技成果，發(fā)展至今，在諸多領(lǐng)域己呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)然，作為一項(xiàng)新誕生的技術(shù)，它也同樣有許多問題需要解決，有學(xué)者也指出，基因芯片技術(shù)作為一種預(yù)測(cè)手段還不穩(wěn)定，應(yīng)慎重選擇11-

9、12。 (1) 基因及基因芯片技術(shù)專利的限制。目前基因?qū)＠絹碓绞艿礁鲊?guó)的重視，功能明確的基因基本都被申請(qǐng)了專利。同樣，基因芯片技術(shù)一經(jīng)誕生，其關(guān)鍵技術(shù)(如光導(dǎo)探針合成等)就已被專利保護(hù)起來。這些都限制了基因芯片技術(shù)的應(yīng)用與普及。(2) 相關(guān)技術(shù)急需改進(jìn)與提高。基因芯片技術(shù)是一項(xiàng)多學(xué)科交叉，基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)研究密切結(jié)合的技術(shù)，必須依靠各學(xué)科研究工作者的通力合作才能取得突破。目前基因芯片技術(shù)本身還面臨許多問題需要解決：基因芯片檢測(cè)的特異性有待提高，假陽性和假陰性仍影響著這一技術(shù)的應(yīng)用；芯片制作技術(shù)復(fù)雜，探針的制備與固定費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尤其是高密度芯片制備；樣品制備和標(biāo)記操作過程需要簡(jiǎn)化，尤其是靶DN

10、A的獲得尚需要采用PCR技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)增，熒光標(biāo)記也是芯片檢測(cè)的限制性步驟，且費(fèi)用過高等；相關(guān)設(shè)備價(jià)格太高，需進(jìn)一步研制和開發(fā)小型、價(jià)廉的儀器；實(shí)驗(yàn)室操作程序需要標(biāo)準(zhǔn)化；芯片產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性需要保證等。(3) 芯片檢測(cè)的費(fèi)用過高。目前芯片的制備和檢測(cè)費(fèi)用很高，只能在大的實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)開展，一套完備的芯片制備和檢測(cè)儀器需要幾十萬到上百元萬人民幣，極大地限制了芯片技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。雖然基因芯片還存在著上述問題，但相信隨著功能基因組學(xué)和蛋白組學(xué)研究的深入和芯片技術(shù)的完善，這些問題最終將會(huì)得到很好的解決。 四展望隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，不斷地給一項(xiàng)技術(shù)帶來新的增長(zhǎng)點(diǎn)，基因芯片和深度測(cè)序是點(diǎn)雜交技術(shù)和測(cè)序的

11、高通量革命，兩大分子生物學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)技術(shù)都發(fā)展到了高通量的時(shí)代，正如他們以前對(duì)生命科學(xué)研究所做出的貢獻(xiàn)一樣，今后這兩大技術(shù)必將繼續(xù)協(xié)同配合推動(dòng)生命科學(xué)研究進(jìn)入新的紀(jì)元13。基因芯片技術(shù)充分利用了生物學(xué)、信息學(xué)等當(dāng)今前沿科技成果，發(fā)展至今，在諸多領(lǐng)域己呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。基因芯片技術(shù)的建立得益于人類基因組計(jì)劃的實(shí)施，在進(jìn)入后基因時(shí)代的如今，基因芯片技術(shù)必將得到更廣闊的發(fā)展空間。 盡管基因芯片技術(shù)已經(jīng)在一些科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)臨床實(shí)踐中得到了一些應(yīng)用，但是在基因治療和基因疫苗的研制等方面基因芯片技術(shù)還沒有得到廣泛的應(yīng)用，相信隨著生物信息學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展，基因芯片技術(shù)一定會(huì)進(jìn)一步成熟，必將給人類提供越來越多

12、的方便，發(fā)揮越來越大的重要作用，從而幫助人們認(rèn)識(shí)、掌握和利用生命科學(xué)的規(guī)律14。3.4基因芯片應(yīng)用領(lǐng)域 （1）科研領(lǐng)域 1998年底美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)將基因芯片技術(shù)列為1998年度自然科學(xué)領(lǐng)域十大進(jìn)展之一，足見其在科學(xué)史上的意義。其應(yīng)用主要包括基因表達(dá)檢測(cè)、突變檢測(cè)、基因組多態(tài)性分析和基因文庫(kù)作圖以及雜交測(cè)序等方面。目前美國(guó)人類基因組計(jì)劃正在大力發(fā)展這一技術(shù)爭(zhēng)取能替代目前的自動(dòng)測(cè)序，同現(xiàn)有的手工測(cè)序和自動(dòng)測(cè)序相比，基因芯片測(cè)序能節(jié)省大量的試劑和儀器損耗。在基因表達(dá)檢測(cè)的研究上人們已比較成功地對(duì)多種生物包括擬南芥、酵母及人的基因組表達(dá)情況進(jìn)行了研究。實(shí)踐證明基因芯片技術(shù)也可用于核酸突變的檢測(cè)及基因組

13、多態(tài)性的分析，與常規(guī)測(cè)序結(jié)果一致性達(dá)到98%等的突變檢測(cè)，對(duì)人類基因組單核苷酸多態(tài)性的鑒定、作圖和分型、人線粒體基因組多態(tài)性的研究等。將生物傳感器與芯片技術(shù)相結(jié)合，通過改變探針陣列區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)證明可以檢測(cè)到基因的單堿基突變，通過確定重疊克隆的次序從而對(duì)酵母基因組進(jìn)行作圖。（2）生物制藥領(lǐng)域 大藥廠和生物技術(shù)公司將會(huì)使用基因芯片發(fā)現(xiàn)篩選新藥等。采用基因芯片可以迅速而準(zhǔn)確地完成這一任務(wù)，美國(guó)某公司曾開發(fā)出一種用于新藥，能夠顯著地降低低密度脂蛋白-一種能引起血管硬化的物質(zhì)，隨后公司的科研人員采用基因芯片研究了這種新藥對(duì)人體細(xì)胞基因表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn)它能顯著地改變細(xì)胞的基因表達(dá)圖譜，十分類似有又一

14、種毒性反應(yīng)，該公司只好終止了這種藥物的研發(fā)，由此公司節(jié)省了大量的投資。 （3）醫(yī)學(xué)診斷 1、在優(yōu)生方面，目前知道有600多種遺傳疾病與基因有關(guān)。婦女在妊娠早期用DNA芯片做基因診斷，可以避免許多遺傳疾病的發(fā)生。 2、在疾病診斷方面，由于大部分疾病與基因有關(guān)，而且往往與多基因有關(guān)，因而，利用DNA芯片可以尋找基因與疾病的相關(guān)性，從而研制出相應(yīng)的藥物和提出新的治療方法。DNA芯片的高密度信息量和并行處理器的優(yōu)點(diǎn)不僅使多基因分析成為可能，而且保證了診斷的高效、廉價(jià)、快速和簡(jiǎn)便。3、應(yīng)用于器官移植、組織移植、細(xì)胞移植方面的基因配型，如HLA分型。4、病原體診斷，如細(xì)菌和病毒鑒定、耐藥基因的鑒定。5、在

15、環(huán)境對(duì)人體的影響方面，已知花粉過敏等人體對(duì)環(huán)境的反應(yīng)都與基因有關(guān)。若對(duì)與環(huán)境污染相關(guān)的200多個(gè)基因進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，將對(duì)生態(tài)環(huán)境控制及人類健康有重要意義。目前，科學(xué)界公認(rèn)基因芯片技術(shù)將給下個(gè)世紀(jì)生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究帶來一場(chǎng)革命。我國(guó)科學(xué)家正在加速研制這種可能快捷便利提取DNA，查找遺傳基因特性的新技術(shù)。相信，這一現(xiàn)代生物與高科技聯(lián)姻的成果將為二十一世紀(jì)的發(fā)展作出巨大的貢獻(xiàn)！通過對(duì)基因芯片的了解，人們?cè)絹碓街匾暺鋺?yīng)用的發(fā)展。相信在不久的將來，人們會(huì)更好的利用并發(fā)揮其功用。參考文獻(xiàn)1周鬢,何潔月.生物信息學(xué)中基因芯片的特征選擇技術(shù)綜述J.計(jì)算機(jī)科學(xué)2007Vo1 34 No. 12 2Pease A

16、C, Solas D, Sullivan E J, et al. Light-generated oligonucleotide arrays for rapid DNA sequence analysis. Proc Natl Acad Sci USA, 1994, 91(11): 5022-50263Service R F. Microchip arrays put DNA on the spot. Science, 1998, 282(5388): 396-3994Beanie WG, Meng L, Turner S L, et al. Hybridization of DNA tar

17、gets to glass-tethered oligonucleotide probes. Mol Biotechnol, 1995,4(3): 213-2255Mansfield ES, Sarwal MM. Arraying the orchestration of allograft pathologyj. Am J Transplant,2004,4(6):853一8626章軍建.基因芯片在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用J.國(guó)外醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)分冊(cè)， 2002.25(1):7- 10.7鄒宗亮.王志清.王升啟，基因芯片技術(shù)研究進(jìn)展J，高技術(shù)通訊，2000(5):95-98.8張騫,盛軍.基因芯片技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用J.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào)9戴亞斌,何農(nóng)躍,劉梅.基因芯片技術(shù)及其在微生物檢測(cè)中的應(yīng)用J.動(dòng)物醫(yī)學(xué)進(jìn)展，2006, 27(10):41-4610熊偉.基因芯片技術(shù)在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展及前景分析J.生命科學(xué)儀器2010第8卷/4月刊11Michiels S, Koscielny S, Hill.c.Prediction oI cancer outcome with microarrays;a multiple random validation strategy J.Lancet.2005.365(9458):488一49212王洪水,侯相山.基因芯片技術(shù)研究進(jìn)展安