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基因芯片技术进展及应用
发布时间： 2003-1-10 作者：刘炎
[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
头到尾依次取一定长度的互补的核苷酸序列形成一探针组合，这组探针是与靶序列
完全匹配的野生型探针，然后对于每一野生型探针，将其中间位置的某一碱基分别
用其它三种碱基替换，形成三种不同的单碱基变化的核苷酸探针，这种设计可以对
某一段核酸序列所有可能的SNPs位点进行扫描。
芯片制备方法主要包括两种类型：(1)点样法：首先是探针库的制备, 根据基
因芯片的分析目标从相关的基因数据库中选取特异的序列进行PCR扩增或直接人工
合成寡核苷酸序列［6］，然后通过计算机控制的三坐标工作平台用特殊的针头和
微喷头分别把不同的探针溶液逐点分配在玻璃、尼龙以及其它固相基片表面的不同
位点上，通过物理和化学的方法使之固定，该方法各技术环节均较成熟，且灵活性
大，适合于研究单位根据需要自行制备点阵规模适中的基因芯片。(2)原位合成法
［7～10］：该法是在玻璃等硬质表面上直接合成寡核苷酸探针阵列，目前应用的
主要有光去保护并行合成法，压电打印合成法等，其关键是高空间分辨率的模板定
位技术和高合成产率的DNA化学合成技术，适合制作大规模DNA探针芯片，实现高密
度芯片的标准化和规模化生产。
待分析样品的制备是基因芯片实验流程的一个重要环节, 靶基因在与芯片探针
结合杂交之前必需进行分离、扩增及标记。标记方法根据样品来源、芯片类型和研
究目的的不同而有所差异。通常是在待测样品的PCR扩增、逆转录或体外转录过程
中实现对靶基因的标记。对于检测细胞内mRNA表达水平的芯片，一般需要从细胞[1] [2] [3] [4] [5] [6] 下一页
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