1、生物芯片及其应用生物芯片及其应用扬州大学医学院医学遗传学教研室 武 辉生物芯片及其应用讲义第1页生物芯片生物芯片(Biochips)生物芯片生物芯片是将大量生物识别分子按预先设置排列是将大量生物识别分子按预先设置排列固定于一个载体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表固定于一个载体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面，利用生物分子特意性亲和反应，如核酸杂交反应，面，利用生物分子特意性亲和反应，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量一个技术。抗原抗体反应等来分子各种生物分子存在量一个技术。生物芯片及其应用讲义第2页生物芯片分类 生物芯片及其应用讲义第3页生物芯片分类依据用途还能够把生物芯
2、片分为依据用途还能够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）功效生物芯片（功效生物芯片（function-biochipfunction-biochip）。）。生物芯片及其应用讲义第4页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生物芯片及其应用讲义第5页基因芯片基因芯片(Gene
3、chip)生物芯片及其应用讲义第6页什么是基因组什么是基因组(Genome)基因组就是一个物种中全部基因整体组成基因组就是一个物种中全部基因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存在、基因结构与功效、从整体水平研究基因存在、基因结构与功效、基因之间相互关系。基因之间相互关系。生物芯片及其应用讲义第7页人类染色体人类染色体生物芯片及其应用讲义第8页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)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包包含含约约4 10万万
4、个个基基因因，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。生物芯片及其应用讲义第9页 生物芯片及其应用讲义第10页功效基因组学功效基因组学基因组基因组DNA测序：测序：人类对本身基因组认识第一步。人类对本身基因组认识第一步。功效基因组学：功效基因组学：从基因组信息与外界环境相互作用高度，说明基从基因组信息与外界环境相互作用高度，说明基因组功效。因组功效。功效基因组学研究内容：功效基因组学研究内容：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示调控研究基因组表示调控研究模式生物体研究模式生物体研究生物信息学生物信息学生物芯片及其应用讲义第11页基因组
5、表示及调控研究基因组表示及调控研究在全细胞水平，识别全部基因组表示产物：在全细胞水平，识别全部基因组表示产物：mRNA：c DNA 阵列阵列蛋白质：二维电泳蛋白质：二维电泳 质谱质谱硕士物大分子相互作用：硕士物大分子相互作用：说明基因组表示在发育过程中时、空整体调控网络。说明基因组表示在发育过程中时、空整体调控网络。蛋白质组学：蛋白质组学：高通量解析蛋白质高级结构，是连接基因组功效研究高通量解析蛋白质高级结构，是连接基因组功效研究和新药开发桥梁。和新药开发桥梁。生物芯片及其应用讲义第12页基因芯片产生背景基因芯片产生背景 传统技术不停改进传统技术不停改进 基因信息分析规模不停扩大基因信息分析规
6、模不停扩大 -人类基因组计划需求人类基因组计划需求 （Human Genome Program)Human Genome Program)-后基因组时代需求后基因组时代需求生物芯片及其应用讲义第13页基因芯片发展历史基因芯片发展历史Southern&Northern Southern&Northern BlotBlotDot Dot BlotBlotMacroarrayMacroarrayMicroarrayMicroarray生物芯片及其应用讲义第14页FF基基基基因因因因芯芯芯芯片片片片 技技术术是是经经过过微微阵阵列列技技术术,将将高高密密度度DNA片片段段阵阵列列经经过过高高速速机机器
7、器人人或或原原位位合合成成方方式式以以一一定定次次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，以以荧荧光光标标识识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，进进行行大大量量基基因因表表示示及及监监测测等等方方面面研研究究最最新新革革命命性性技术。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能能够够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基基因因水水平平表表示示监监控控，多多态态性性研研究究和和Genotyping。从
8、从而而使使我我们们对对基基因因表表示示调调控控有有更更深入了解。深入了解。生物芯片及其应用讲义第15页基因芯片工作原理与经典核酸分子杂交方法是一致，基因芯片工作原理与经典核酸分子杂交方法是一致，都是应用已知核酸序列作为探针与互补靶核苷酸序都是应用已知核酸序列作为探针与互补靶核苷酸序列杂交，经过随即信号检测进行定性与定量分析。列杂交，经过随即信号检测进行定性与定量分析。基因芯片是在一微小基片（硅片、玻片、塑料片等）基因芯片是在一微小基片（硅片、玻片、塑料片等）表面集成了大量分子识别探针，能够在同一时间内表面集成了大量分子识别探针，能够在同一时间内平行分析大量基因，进行大信息量筛选与检测分析。平行
9、分析大量基因，进行大信息量筛选与检测分析。生物芯片及其应用讲义第16页基因芯片主要技术流程包含：基因芯片主要技术流程包含：芯片设计与制备；芯片设计与制备；靶基因标识；靶基因标识；芯片杂交与杂交信号检测。芯片杂交与杂交信号检测。生物芯片及其应用讲义第17页19921992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大学试验室诞生大学试验室诞生 -Science.1995,270:467-470 -Science.1995,
10、270:467-470 -Science.1995,270:467-470 -Science.1995,270:467-470基因芯片历史基因芯片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生物芯片及其应用讲义第18页芯片惯用制备方法比较芯片惯用制备方法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平方厘米）平方厘米）5005000bpDNA、抗体抗原、受体药品等、抗体抗原、受体药品等
11、对比分析对比分析生物芯片及其应用讲义第19页生物芯片及其应用讲义第20页DNA芯片cDNA芯片：经过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：经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序列已知。特异性好。生物芯片及其应用讲义第21页Commercial chipHumanRatMouseDrosophilaE.coli YeastZebrafish生物芯片及其应用讲义第22页Spotter machine生物芯片及其应用讲义第23页Spotter stage生物芯片及其应用讲义第24页Sp
12、otter head生物芯片及其应用讲义第25页Spotter pin生物芯片及其应用讲义第26页Home-made chip生物芯片及其应用讲义第27页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 探针制备：探针制备：探针制备：探针制备：标识方法标识方法标识方法标识方法 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、洗涤条件选择洗涤条件选择洗涤条件选择洗涤条件选择扫描仪扫描仪扫描仪扫描仪:激光激光激光激光 CCD CCD分析软件开发分析软件开发分析软件开发分析软件开发基因芯片制备基因
13、芯片制备基因芯片制备基因芯片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生物芯片及其应用讲义第28页 Basic procedure生物芯片及其应用讲义第29页Operation flow chartChipimageanalysisdatameasurementreaction生物芯片及其应用讲义第30页对照样品测试样品RNA核酸提取cDNA核酸标识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、药品等等点样制片芯片扫描图像分析信息分析DNA 微阵列试验体系生物芯片及其应用讲义第31页二、制备样本核酸探针二、制备样本核酸探针1
14、、样本总、样本总RNA抽提：异硫氰酸胍抽提：异硫氰酸胍2、mRNA分离与纯化：分离与纯化：oligodT3、反转录并标识、反转录并标识随机引物法逆转录随机引物法逆转录标识物：同位素、荧光染料标识物：同位素、荧光染料(cy3-绿色绿色/cy5红色红色)、化学发光、化学发光生物芯片及其应用讲义第32页三、杂交试验条件三、杂交试验条件杂交杂交 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 杂交液和杂交液组份杂交液和杂交液组份 杂交温度、时间杂交温度、时间洗涤洗涤 洗涤液组成洗涤液组成 洗涤温度、时间洗涤温度、时间生物芯片及其应用讲义
15、第33页四、杂交信号检测四、杂交信号检测1 1、激光共聚焦扫描、激光共聚焦扫描光源：特定波长光光源：特定波长光激发面积：激发面积：100100 m m2 2ScanArray 3000ScanArray 30002 2、CCD CCD 成像术成像术光源：连续波长光（如弧光灯）光源：连续波长光（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 2生物芯片及其应用讲义第34页五、芯片数据处理和分析五、芯片数据处理和分析 图像处理图像处理 数据获取、存放与显示数据获取、存放与显示 芯片数据统一化芯片数据统一化 芯片数据统计学分析芯片数据统计学分析 芯片数据生物学分析芯片数据生物学
16、分析 生物芯片及其应用讲义第35页生物芯片及其应用讲义第36页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示谱基因表示谱基因芯片应用基因芯片应用生物信息学工具生物信息学工具基因相关性研究基因相关性研究基因功效基因功效药品设计和开发药品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疗基因诊疗其它与生物相关领域其它与生物相关领域生物芯片及其应用讲义第37页计算机辅助药品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、代谢路径分子模拟，蛋白质折叠和构象改变长时分子动力学模拟.计算机辅助先导化合物设计、药品设计生物芯片及其应用讲义第38页Thanks生物芯片及其应用讲义第39页
