高通量芯片技术在细胞遗传学检测领域的划时代飞跃

高通量芯片技术在细胞遗传学检测领域的划时代飞跃摘要：细胞遗传学是从细胞的角度，主要是从染色体的结构和行为来研究遗传现象，并找出遗传机制和遗传规律。

目前和基础理论与临床医学紧密结合对于遗传咨询和产前诊断具有重要意义。

而迅速发展的芯片技术在检测通量、分辨率、灵敏度等方面都远远超过了传统的细胞遗传学方法。

因此可以说高通量芯片技术是细胞遗传学检测领域的一个跨时代的飞跃。

一、细胞遗传学研究方法进展细胞遗传学是遗传学与细胞学相结合的一个遗传学分支学科。

研究对象主要是真核生物，特别是包括人类在内的高等动植物。

此后又衍生出一些分支学科，研究内容进一步扩大。

它把遗传学研究和细胞学方法结合起来。

从细胞的角度，主要是从染色体的结构和行为来研究遗传现象、找出遗传机制和遗传规律。

目前细胞遗传学的基础理论与临床医学紧密结合的新兴边缘科学，研究染色体畸变与遗传病的关系等，对于遗传咨询和产前诊断具有重要意义。

目前主要的研究方法有以下几种。

1. 核型分析 将待测的细胞染色体按照该生物固有的染色体形态特征和规定，进行配对、编号和分组，并进行形态分析的过程。

染色体核型分析可以从宏观上分析患者其它可见的染色体异常情况。

对那些毛毛虫样的染色体图像的分析是技术性非常强、并且非常耗费人力的工作。

因此大多报告仅对20个细胞的染色体核型进行分析，一般最多分析的细胞数不超过50个。

大片段的染色体缺失和扩增可以通过核型分析判断，略微细微的染色体片段的变化是无法通过核型分析检查的。

因此直观是核型分析的优势，但是分辨率较低则是核型分析的无法逾越的缺点。

2. FISH FISH(fluorescence in situ hybridization)技术是一种重要的非放射性原位杂交技术。

它的基本原理是：如果被检测的染色体或DNA纤维切片上的靶DNA与所用的核酸探针是同源互补的，二者经变性-退火-复性，即可形成靶DNA与核酸探针的杂交体。

FISH 可以定位基因组中多个同源位点，结果直观、可靠。

但是FISH 法检测步骤繁杂，尤其受探针大小的影响较大，2kb 以下的cDNA 序列很难定位，而且结果需要有经验的细胞遗传学家进行分析。

为了检测的结果更易于观察，使用探针种类较少。

因此每次只可以使用少数几个有针对性的探针用以检测有限个数的DNA变异区域。

并且无法发现未知的染色体变异区域。

3. CGH 比较基因组杂交（comparative genomic in situ, CGH）是FISH技术的一大延伸与重大飞跃，是1992年后发展起来的一种分子细胞遗传学技术。

它通过单一的一次杂交，可对某一肿瘤整个基因组的染色体拷贝数量的变化进行检查。

其基本原理是用不同的荧光染料通过缺口平移法分别标记肿瘤组织和正常细胞或组织的DNA制成探针，并与正常人的间期染色体进行共杂交，以在染色体上显示的肿瘤与正常对照的荧光强度的不同来反映整个肿瘤基因组DNA表达状况的变化，再借助于图像分析技术可对染色体拷贝数量的变化进行定量研究。

CGH技术所需DNA样本量少，对样本要求低。

但是CGH技术所能检测到的最小的DNA扩增或丢失是在3-5Mb，故对于低水平的DNA扩增和小片段的丢失会漏检。

对杂合性缺失等现象无法检测。

4 染色体显微切割 用显微操纵器切割某条染色体特定区域的技术。

所得到的染色体特定区带可用于该区带DNA或基因的克隆。

该技术自80年代初问世以来，通过与PCR、微克隆、FISH、DNA测序、文库筛选、比较基因组杂交等分子生物学技术相结合，在染色病研究与诊断、文库构建、基因定位与克隆、以及进化遗传学与肿瘤遗传学等方面的研究中取得了令人瞩目的成绩，并以其独特的直接性和实用性保持其分子生物学领域良好的应用前景。

该技术可以在宏观可操作范围内，作为其他技术的补充发挥重要的作用。

传统的细胞遗传学研究方法瓶颈在于通量，分辨率和准确性等问题，而芯片技术打开了一片新天地。

基因芯片技术由于同时将大量探针固定于支持物上，所以可以一次性对样品大量序列进行检测和分析，从而解决了传统技术操作繁杂、自动化程度低、操作序列数量少、检测效率低等不足。

而且，通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的应用价值，如基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序等。

把芯片技术应用于细胞遗传学势必对该领域研究方法带来深远的影响。

二、Affymetrix细胞遗传学芯片1. SNP6.0芯片在使用芯片研究细胞遗传学这一领域中，Affymetrix 旗舰产品SNP6.0芯片创造了辉煌的历史。

在一张芯片上可以分析一个样本906,600个SNP(Single Nucleotide Polymorphisms) 的基因型，该芯片同时含946,000个CNV （copy number variation）探针，SNP和CNV两种探针高密度且均匀地分布在整个基因组，作为拷贝数变异和杂合性缺失（loss of heterozygosity,LOH）检测的工具来发现微小的染色体增加和缺失。

SNP Array 6.0检测分辨率远远超出业内其他aCGH或SNP芯片。

按照经典的遗传统计计算，SNP6.0产品的覆盖度已经足以满足目前各人种遗传疾病研究对genetic power的要求。

SNP 6.0上所具有的检测1,800,000个生物标记的能力，使之成为同时检测常见和稀有变异全基因组关联分析的最有力的武器。

在Affymetrix的产品研发中，每一条CNV探针的设计都经过了计量效应考证，即以特别细胞系作为模型，保证每一条探针的杂交信号值与真实情况的拷贝数成正比。

这保证了数据结果的可靠和准确。

目前广大的科研工作者使用SNP6.0芯片用于细胞遗传学研究，并取得了丰硕的成果。

Nik-Zainal S等[1]利用Affymetrix SNP6.0芯片研究了女性因生殖系统先天畸形而患有不孕症的发病机理。

研究表明，染色体（16p11.2）具有微缺失的现象是导致发病的重要原因之一，为医学诊断提供了直接的依据。

研究干细胞分化的机理是医学研究发展的一个重要方向，并具有巨大的理论和市场价值。

Hussein SM等[2]利用Affymetrix SNP6.0芯片比较了纤维原细胞及胚胎干细胞和其多功能细胞的拷贝数变化的情况。

实验表明，不同的细胞状态，拷贝数变异具有特异性，为发育生物学提供了新的科研思路。

同卵双生的双胞胎从生物学上认为是完全一样，但个性迥然不同必然有其合理的原因。

Maiti S等[3]采用Affymetrix SNP6.0芯片对这一现象做了理论上的研究。

研究结果说明，双胞胎个体在发育生长的过程中，染色体中产生新的拷贝数变异是造成个体差异的一个重要原因。

该原因导致其中一个个体精神状态正常，而另外一个则患有精神分裂症。

诸如此类的科研成果还有很多很多，这些研究结果都为医学临床诊断提供了非常好的理论支持。

2. Cytoscan HD芯片基于严谨的科学理念和对芯片质量的不断追求，Affymetrix于2011年的夏天，又推出了新型的重点于染色体变异情况研究的新一代细胞遗传学芯片——Cytoscan HD芯片。

这势必成为细胞遗传学的又一有力工具。

该芯片的特点可以总结如下：A. 以基因为中心进行芯片设计100%覆盖所有的癌症相关基因和国际细胞遗传学学会所认可的基因覆盖34,000条以上的RefSeq基因覆盖12,000条以上的OMIM基因特别加密针对X染色体的探针，100%覆盖X染色体上的基因B. 业界密度最高的细胞遗传学芯片一共能检测2,702,403个生物学标记，749,157个为SNP探针，均能得到SNP分型结果（其中743,304个SNP参与到拷贝数分析中）；1,953,246个位拷贝数探针，均通过了基因剂量效应检测筛选。

一张芯片两种探针的设计使得该芯片可以检测UPD（uniparental disomy,单亲二倍体）等复杂的染色体变异现象。

C. 独特的人类基因组骨架设计对于人类基因组不含基因的大片区域，Affymetrix公司通过探针设计，不遗漏且均匀地覆盖这些区域。

对于研究者来说，此芯片能提供的信息为基因组全局性的：既关注于基因分布区域，也不会疏漏非基因分布区域。

D. 优化的试剂盒和操作流程Affymetrix的专家们不仅设计和生产了Cytoscan HD 芯片，而且优化了试剂和操作流程，使科研工作者更易操作，更少失误，并节省时间和金钱。

规范的实验室要求和流程化的操作流程，使得到的结果具有非常好的一致性。

优化的试剂盒包括几乎所有的试剂，使得科研工作者准备更方便。

整个操作流程仅需要不到3天的时间。

E. 优异的性能针对大于400Kb的拷贝数变异的片段和特异SNP的鉴定，Cytoscan HD的灵敏度和特异检出率均超过99%；远远超过美国医学基因学院推荐的阈值。

F. 简单易用的软件Affymetrix为细胞遗传学研究工作者，量身定做了分析软件——Chromosome Analysis Suite (ChAS)。

该软件操作非常简单，只需要把扫描数据导入，按照自己对数据的要求填写过滤参数，如片段大小等，软件在给出筛选结果列表的同时，还会给出图示化的结果（如下图）。

并且软件打包了若干主流数据库的信息，对筛选结果给出详细的生物学注释。

使用者可以自由选择查看整体的核型，或者扩增和缺失片段的具体信息等，结果详细，且一目了然。

临床工作者和科研人员都可以方便使用。

分析结束后，可将分析的结果列表和图片导出为excel格式和pdf格式等，易用数据共享。

3. 750k细胞遗传学芯片Cytoscan HD芯片是针对人类全基因无偏向性研究的有力工具。

如果对该产品检测位点按照一定目的和方法进行筛选，如去掉没有具体解释的遗传marker，保留和药物作用位点强烈相关的遗传marker等。

这样就会得到一个与临床医学更为相关的子集。

750k细胞遗传学芯片就是为了这一目的正在研发的产品。

该产品包括55万个拷贝数的探针和20万个SNP的探针。

覆盖的基因数目达到4127个。

覆盖全部的ISCA基因，目前已知的全部的癌基因，包括83%的OMIM Morbid基因，93%的X染色体上的OMIM Morbid 基因。

该芯片预计于2011年年底上市。

可以预计该芯片必将成为与临床研究相关的又一得力工具。

4. Affymetrix GeneChip scanner 3000Dx将科研成果应用于临床可以说是芯片产品最为重要的发展方向之一。

作为世界上最早也是唯一应用于诊断的基因芯片系统——Affymetrix GeneChip scanner 3000Dx，将芯片科研成果成功的转化为临床方法，并取得良好的应用。

GeneChip 3000Dx系统是用于核糖核酸和脱氧核糖核酸分析的灵活性系统，能够为您的诊断实验室带来基因组学革命性的发展。