7 基因芯片.ppt

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1、生物芯片及其应用生物芯片及其应用2021/9/201扬州大学医学院医学遗传学教研室 武 辉生物芯片生物芯片(Biochips)生物芯片生物芯片是将大量生物识别分子按预先设置的排是将大量生物识别分子按预先设置的排列固定于一种载体（如硅片、玻片及高聚物载体等）列固定于一种载体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面，利用生物分子的特意性亲和反应，如核酸杂交表面，利用生物分子的特意性亲和反应，如核酸杂交反应，抗原抗体反应等来分子各种生物分子存在的量反应，抗原抗体反应等来分子各种生物分子存在的量的一种技术。的一种技术。2021/9/202生物芯片的分类 2021/9/203生物芯片的分类根据用途还可以把生物

2、芯片分为根据用途还可以把生物芯片分为两类：两类：信息生物芯片（信息生物芯片（information-biochipinformation-biochip）功能生物芯片（功能生物芯片（function-biochipfunction-biochip）。）。2021/9/204生物芯片生物芯片阵列型阵列型仪器型仪器型化化合合物物药药物物核核酸酸多多肽肽蛋蛋白白质质受受体体细细胞胞细细胞胞器器病病毒毒微微小小组组织织样样品品筛筛选选浓浓缩缩放放大大毛毛细细管管电电泳泳电电介介质质电电泳泳色色谱谱质质谱谱微微型型光光谱谱仪仪芯芯片片实实验验室室2021/9/205基因芯片基因芯片(Gene chip)

3、2021/9/206什么是基因组什么是基因组(Genome)基因组就是一个物种中所有基因的整体组成基因组就是一个物种中所有基因的整体组成人类基因组有两层意义：人类基因组有两层意义：遗传信息遗传信息 遗传物质遗传物质从整体水平研究基因的存在、基因的结构与从整体水平研究基因的存在、基因的结构与功能、基因之间的相互关系。功能、基因之间的相互关系。2021/9/207人类染色体人类染色体2021/9/208人类单倍体基因组人类单倍体基因组n含含 30 亿亿 碱基对碱基对(bp)的的 DNA序列。序列。n编码序列约编码序列约占占3%，非编码序列约占，非编码序列约占97%。n包包括括约约4 10万万个个基

4、基因因，分分布布于于22条条常常染染色色体体和和 X、Y性染色体。性染色体。2021/9/209 2021/9/2010功能基因组学功能基因组学基因组基因组DNA测序：测序：人类对自身基因组认识的第一步。人类对自身基因组认识的第一步。功能基因组学：功能基因组学：从基因组信息与外界环境相互作用的高度，阐明从基因组信息与外界环境相互作用的高度，阐明基因组的功能。基因组的功能。功能基因组学的研究内容：功能基因组学的研究内容：人类基因组人类基因组 DNA 序列变异性研究序列变异性研究基因组表达调控的研究基因组表达调控的研究模式生物体的研究模式生物体的研究生物信息学生物信息学2021/9/2011基因组

5、表达及调控的研究基因组表达及调控的研究在全细胞的水平，识别所有基因组表达产物：在全细胞的水平，识别所有基因组表达产物：mRNA：c DNA 阵列阵列蛋白质：二维电泳蛋白质：二维电泳 质谱质谱研究生物大分子相互作用：研究生物大分子相互作用：阐明基因组表达在发育过程中的时、空的整体调控网阐明基因组表达在发育过程中的时、空的整体调控网络。络。蛋白质组学：蛋白质组学：高通量解析蛋白质的高级结构，是连接基因组功能研高通量解析蛋白质的高级结构，是连接基因组功能研究和新药开发的桥梁。究和新药开发的桥梁。2021/9/2012基因芯片的产生背景基因芯片的产生背景 传统技术的不断改进传统技术的不断改进 基因信息

6、分析规模不断扩大基因信息分析规模不断扩大 -人类基因组计划的需求人类基因组计划的需求 （Human Genome Program)Human Genome Program)-后基因组时代的需求后基因组时代的需求2021/9/2013基因芯片发展历史基因芯片发展历史Southern&Northern Southern&Northern BlotBlotDot Dot BlotBlotMacroarrayMacroarrayMicroarrayMicroarray2021/9/2014FF基基基基因因因因芯芯芯芯片片片片 技技术术是是通通过过微微阵阵列列技技术术,将将高高密密度度DNA片片段段阵阵

7、列列通通过过高高速速机机器器人人或或原原位位合合成成方方式式以以一一定定的的顺顺序序或或排排列列方方式式使使其其附附着着在在如如玻玻璃璃片片等等固固相相表表面面，以以荧荧光光标标记记的的DNA探探针针，借借助助碱碱基基互互补补杂杂交交原原理理，进进行行大大量量的的基基因因表表达达及及监监测测等等方方面面研研究究的的最新革命性技术。最新革命性技术。FF微微微微阵阵阵阵列列列列 技技术术巨巨大大优优势势在在于于它它可可以以并并行行地地宏宏量量获获取取生生物物信信息息，借借助助此此技技术术发发展展的的生生物物芯芯片片则则提提供供了了以以核核酸酸杂杂交交为为基基础础的的基基因因水水平平的的表表达达监监

8、控控，多多态态性性研研究究和和Genotyping。从从而而使使我我们们对对基基因因表表达达调调控有更深入的了解。控有更深入的了解。2021/9/2015基因芯片的工作原理与经典的核酸分子杂交方法是基因芯片的工作原理与经典的核酸分子杂交方法是一致的，都是应用已知核酸序列作为探针与互补的一致的，都是应用已知核酸序列作为探针与互补的靶核苷酸序列杂交，通过随后的信号检测进行定性靶核苷酸序列杂交，通过随后的信号检测进行定性与定量分析。与定量分析。基因芯片是在一微小的基片（硅片、玻片、塑料片基因芯片是在一微小的基片（硅片、玻片、塑料片等）表面集成了大量的分子识别探针，能够在同一等）表面集成了大量的分子识

9、别探针，能够在同一时间内平行分析大量的基因，进行大信息量的筛选时间内平行分析大量的基因，进行大信息量的筛选与检测分析。与检测分析。2021/9/2016基因芯片主要技术流程包括：基因芯片主要技术流程包括：芯片的设计与制备；芯片的设计与制备；靶基因的标记；靶基因的标记；芯片杂交与杂交信号检测。芯片杂交与杂交信号检测。2021/9/201719921992年世界第一块原位合成基因芯片在美年世界第一块原位合成基因芯片在美国国AffymetrixAffymetrix诞生诞生19951995年世界第一块微矩阵基因芯片在年世界第一块微矩阵基因芯片在StanfordStanford大学实验室诞生大学实验室诞

10、生 -Science.1995,270:467-470 -Science.1995,270:467-470 -Science.1995,270:467-470 -Science.1995,270:467-470基因芯片的历史基因芯片的历史八十年代末期俄美科学家提出杂交法测序八十年代末期俄美科学家提出杂交法测序2021/9/2018芯片常用制备方法的比较芯片常用制备方法的比较原位合成原位合成高密度（可达高密度（可达40万点万点/1.6平方厘米）平方厘米）25bpDNA测序分析，寻找点突变测序分析，寻找点突变微量点样（针点、喷墨微量点样（针点、喷墨较高密度（可达较高密度（可达10万点万点/6.5平

11、方厘米）平方厘米）5005000bpDNA、抗体抗原、受体药物等抗体抗原、受体药物等对比分析对比分析2021/9/20192021/9/2020DNA芯片cDNA芯片：通过PCR方法制备探针，然后用芯片点样仪把探针点在芯片基质载体上。不要求知道DNA序列。寡核苷酸芯片：通过在芯片上原位合成；或者先合成寡核苷酸探针，再用芯片点样仪把探针点在芯片载体上。要求DNA的序列已知。特异性好。2021/9/2021Commercial chipHumanRatMouseDrosophilaE.coli YeastZebrafish2021/9/2022Spotter machine2021/9/2023S

12、potter stage2021/9/2024Spotter head2021/9/2025Spotter pin2021/9/2026Home-made chip2021/9/2027基因芯片技术流程基因芯片技术流程制备方法及点样仪器制备方法及点样仪器制备方法及点样仪器制备方法及点样仪器 探针的制备：探针的制备：探针的制备：探针的制备：标记标记标记标记方法方法方法方法 杂交：杂交：杂交：杂交：杂交液、杂交温度、杂交液、杂交温度、杂交液、杂交温度、杂交液、杂交温度、洗涤条件的选择洗涤条件的选择洗涤条件的选择洗涤条件的选择扫描仪扫描仪扫描仪扫描仪:激光激光激光激光 CCD CCD分析软件的开发分

13、析软件的开发分析软件的开发分析软件的开发基因芯片的制备基因芯片的制备基因芯片的制备基因芯片的制备杂交杂交杂交杂交检测检测检测检测数据分析数据分析数据分析数据分析2021/9/2028 Basic procedure2021/9/2029Operation flow chartChipimageanalysisdatameasurementreaction2021/9/2030对照样品测试样品RNA核酸提取cDNA核酸标记提纯芯片杂交靶分子正常细胞和癌细胞野生型和敲除型野生型和激活型条件1和条件2：营养、刺激、药物等等点样制片芯片扫描图像分析信息分析DNA 微阵列实验体系2021/9/2031二

14、、制备样本核酸探针二、制备样本核酸探针1、样本总、样本总RNA的抽提：异硫氰酸胍的抽提：异硫氰酸胍2、mRNA的分离与纯化：的分离与纯化：oligodT3、反转录并标记、反转录并标记随机引物法逆转录随机引物法逆转录标记物：同位素、荧光染料标记物：同位素、荧光染料(cy3-绿色绿色/cy5红色红色)、化学发光、化学发光2021/9/2032三、杂交实验条件三、杂交实验条件杂交杂交 杂交体积杂交体积(使核酸浓度增加使核酸浓度增加10万倍）万倍）玻片玻片:2-200 l 滤膜：滤膜：5-50ml 杂交液和杂交液的组份杂交液和杂交液的组份 杂交温度、时间杂交温度、时间洗涤洗涤 洗涤液的组成洗涤液的组成

15、 洗涤的温度、时间洗涤的温度、时间2021/9/2033四、杂交信号的检测四、杂交信号的检测1 1、激光共聚焦扫描、激光共聚焦扫描光源：特定波长的光光源：特定波长的光激发面积：激发面积：100100 m m2 2ScanArray 3000ScanArray 30002 2、CCD CCD 成像术成像术光源：连续波长的光（如弧光灯）光源：连续波长的光（如弧光灯）激发面积：同时激发多个激发面积：同时激发多个1cm1cm2 22021/9/2034五、芯片数据的处理和分析五、芯片数据的处理和分析 图像的处理图像的处理 数据的获取、存储与显示数据的获取、存储与显示 芯片数据统一化芯片数据统一化 芯片

16、数据的统计学分析芯片数据的统计学分析 芯片数据的生物学分析芯片数据的生物学分析 2021/9/20352021/9/2036特定基因检测特定基因检测突变检测突变检测多态性分析多态性分析基因表达谱基因表达谱基因芯片的应用基因芯片的应用生物信息学的工具生物信息学的工具基因相关性研究基因相关性研究基因功能基因功能药物设计和开发药物设计和开发潜在反义试剂开发潜在反义试剂开发个体化医疗个体化医疗身份识别身份识别基因诊断基因诊断其他与生物有关的领域其他与生物有关的领域2021/9/2037计算机辅助药物筛选高通量虚拟筛选方法蛋白质蛋白质相互作用识别，信号传导系统、代谢途径的分子模拟，蛋白质折叠和构象变化的长时分子动力学模拟.计算机辅助先导化合物设计、药物设计2021/9/2038Thanks2021/9/2039