基因芯片技术及其应用

snp基因芯片原理

SNP基因芯片原理

引言:

随着基因组学和生物技术的快速发展，人类对于基因及其与疾病关联性的研究也越来越深入。SNP（Single Nucleotide

Polymorphism，单核苷酸多态性）是一种常见的基因变异形式，它在人类遗传变异中占据重要地位。为了研究SNP与疾病之间的关系，科学家们开发了SNP基因芯片，它是一种高通量、高灵敏度的分子生物学工具。本文将详细介绍SNP基因芯片的原理以及应用。

一、SNP基因芯片的定义及分类

SNP基因芯片是一种利用高通量平行杂交技术检测SNP位点的工具。根据其设计原理和应用领域的不同，SNP基因芯片可以分为两类，即基于探针的SNP芯片和基于测序的SNP芯片。

1. 基于探针的SNP芯片

基于探针的SNP芯片利用DNA探针与待测样品中的基因组DNA序列特异性杂交的原理，通过检测杂交信号来识别不同基因型。这种芯片设计简单、成本较低，适用于小规模的SNP检测。

2. 基于测序的SNP芯片

基于测序的SNP芯片采用高通量测序技术，可以直接测定待测样品中的SNP位点。这种芯片设计复杂、成本较高，但可以同时检测数百万个SNP位点，具有更高的灵敏度和准确性。

二、SNP基因芯片的工作原理

SNP基因芯片的工作原理主要包括芯片设计、杂交反应、信号检测和数据分析四个步骤。

1. 芯片设计

芯片设计是SNP基因芯片的关键步骤。首先，需要确定待测SNP位点的基因型信息，包括目标基因型和野生型等。然后，根据基因型信息设计一组特异性的DNA探针，这些探针可以与待测样品中的目标SNP位点特异性杂交。

2. 杂交反应

杂交反应是SNP基因芯片的核心步骤。将待测样品中的DNA与芯片上的DNA探针进行杂交反应，使其结合形成DNA双链。杂交反应的条件包括温度、时间和缓冲液成分等，需要根据具体实验要求进行优化。

3. 信号检测

信号检测是SNP基因芯片的关键步骤。通过荧光染料或放射性同位素等标记探针，使其与芯片上的杂交DNA结合，形成信号。然后，使用相应的仪器对芯片进行扫描，检测信号的强度和位置。

云南大学学报(自然科学版),2003,25(增刊):213～216CN53-1045/N　ISSN0258-7971JournalofYunnanUniversity

Ξ基因芯片技术及其应用的研究进展

郭忠新,高志勇(云南大学生物系,云南昆明　650091)摘要:基因芯片是指将大量核酸片段探针以预先设计的方式固定在载玻片、尼龙膜等载体上组成密集的分子阵列,能1次检测大量的目标分子,在研究基因表达、发现新基因、疾病诊断、DNA测序和药物筛选中有广泛的应用前景.关键词:基因芯片;基因组计划;基因表达;基因突变中图分类号:Q819 文献标识码:A 文章编号:0258-7971(2003)S-0213-04 基因芯片的概念是来自计算机芯片,又叫DNA芯片、寡核苷酸芯片,最早由E.Sou2thern在1989年提出的,是指将大量核酸片段探针以预先设计的方式固定在载玻片、尼龙膜等载体上组成密集的分子阵列,通过与标记的样品杂交,检测杂交信号的强弱来判断样品中的分子组成和数量.其原理来自传统的核酸杂交技术,然而相对传统的核酸杂交技术,基因芯片能一次检测大量的目标分子,自动化程度高、效率高、成本低,在研究基因表达、疾病诊断、发现新基因、DNA测序和药物筛选中有广泛的应用前景[1,2].特别是目前,人、水稻以及多种其它生物的基因组图谱已经完成,基因组计划已经进入了功能基因研究的时期,充分利用各种基因组图谱资源进行功能基因的研究成为基因组学研究的热点[3,4].而基因芯片在研究基因的结构和表达中有快速高效的独特优势,使其成为功能基因研究的强大工具[5].本文主要介绍基因芯片的制作和应用的一些进展.1　基因芯片的制作基因芯片制作首先都要选择合适的载体,载体表面必须有活性基团,以便与生物分子进行偶连;而且应当有足够的稳定性,现在的载体都是固体或薄膜的,如玻璃片,金属片,有机分子制作的薄膜[6].基因芯片探针的制备和交联主要可分为两大类:一类是原位合成,一类是合成后交联.前者适用于寡核苷酸;后者多用于大片段DNA,有时也用于寡核苷酸[7].(1)原位合成法就是直接在载玻片的特定区域合成设计好的寡核苷酸探针,它是目前制造高密度寡核苷酸芯片最为成功的技术,有光控合成法和喷印合成法2种.①光控合成法是由Affymetrix公司开发的,采用的技术原理是在碱基单体的5端羟基末端连上一个光敏保护基,第1步是用光照使羟基端脱保护,然后连上一个5端保护的核苷酸单体,重复这个过程直到合成完成.Wisconsin大学的Gasson等在光控合成法的基础上发展出原位标准试剂合成法,利用计算机来控制光照脱保护的特定区域.采用原位标准试剂合成法可以大幅提高合成效率,在1.4cm2的玻片上能合成2000000个探针,如果40个探针代表一种基因,这种芯片上就能够区别50000种基因,可以用来1次检测50000个基因[8].②喷印合成法的原理与喷墨打印机相似,只是有多个喷头和墨盒,墨盒中装的是4种碱基,喷头根据芯片特定位点的特定序列的探针将特定碱基喷印在芯片的特定位置,再进行连接成各种特定序列的探针.(2)合成后交联法较为简单,它利用手工或自动点样装置将已制备好的寡核苷酸或cDNA探针

基因芯片技术和转录组测序技术

基因芯片技术和转录组测序技术是两种常用的分子生物学技术，用于研究生物体内基因表达的特征和变化。这两种技术都是高通量技术，可以同时检测／测序几百到数万个基因及其表达情况，是现代生物技术研究中的重要手段。

基因芯片技术是一种高通量的DNA芯片技术，其基本原理是利用已知的基因序列信息设计出一组具有探针序列的DNA芯片，将待检测的目标DNA样本杂交（hybridization）到芯片上，并利用荧光或化学检测方法检测芯片上探针序列与样本DNA的匹配程度，从而获得目标DNA中各个基因的表达水平数据。基因芯片技术的优点是高通量、快速、灵敏度高，缺点是对于未知基因或变异位点无法检测出来，需要设计探针，实验成本相对较高。

转录组测序技术是一种直接测序RNA的技术，其基本原理是将RNA样本进行反转录合成cDNA，然后进行大规模的二代测序。通过分析测序数据，可以得到目标细胞或组织中各个基因的表达水平和RNA剪接形式的信息。研究者可以通过对转录组测序数据的分析揭示潜在的调控机制和功能富集的通路。转录组测序技术的优点是对RNA样本无偏性，能扫描到所有的转录物，可以检测到未知基因或变异位点，缺点是测序深度较大，需要更高的测序成本。

基因芯片技术和转录组测序技术各有优缺点，研究者需根据研究目的和资源选择合理的技术进行基因表达分析。在研究水平上，随着测序数据的不断积累和分析方法的不断深化，转录组测序技术逐渐成为基因表达分析的首选技术，同时基因芯片技术得到了广泛的应用，尤其是在快速检测大量样本的情况下，例如生物标志物筛选和临床诊断中的应用。

基因芯片技术进展及应用

[关键词] 基因芯片；核酸探针序列；杂交

1 基因芯片概述

随着人类基因组计划( Human Genome Project)即全部核苷酸测序的即将完成

，人类基因组研究的重心逐渐进入后基因组时代（ Postgenome Era）向基因的功

能及基因的多样性倾斜［1，2］。通过对个体在不同生长发育阶段或不同生理状态

下大量基因表达的平行分析，研究相应基因在生物体内的功能，阐明不同层次多基

因协同作用的机理，进而在人类重大疾病如癌症、心血管疾病的发病机理、诊断治

疗、药物开发等方面的研究发挥巨大的作用。它将大大推动人类结构基因组及功能

基因组的各项基因组研究计划。

基因芯片的工作原理与经典的核酸分子杂交方法（southern 、northern）是

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

信号检测进行定性与定量分析，基因芯片在一微小的基片（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［3，4］。基因芯片主要技术流程包括：芯片的设计与

制备；靶基因的标记；芯片杂交与杂交信号检测。

基因芯片的设计实际上是指芯片上核酸探针序列的选择以及排布，设计方法取

决于其应用目的，目前的应用范围主要包括基因表达和转录图谱分析及靶序列中单

碱基多态位点（single nucleotide polymorphism，SNP）或突变点的检测，表达

型芯片的目的是在杂交实验中对多个不同状态样品(不同组织或不同发育阶段、不

同药物刺激)中数千基因的表达差异进行定量检测，探针序列一般来自于已知基因

的cDNA 或EST库，设计时序列的特异性应放在首要位置，以保证与待测目的基因的

特异结合，对于同一目的基因可设计多个序列不相重复的探针，使最终的数据更为

可靠。基因单碱基多态检测的芯片一般采用等长移位设计法［5］，即按靶序列从