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基因芯片技术概念、基本原理和特点

来源:未知     作者:威廉希尔     发布时间:2020-05-15 11:28         

  基因芯片(gene chip),又称DNA芯片、DNA微阵列(DNA microarray),包括寡核苷酸微阵列(oligonucleotide microarray)和cDNA微阵列,是指采用原位合成(intusynthesis)或显微打印手段,将数以万计的DNA片段按预先设计的排列方式固化在载体面,并以此作为探针,产生二维DNA探针阵列,在一定的条件下,与样品中待检测的靶基因片段杂交,通过检测杂交信号,实现对靶基因的存在、含量及变异等信息的快速检测。由于常用硅芯片作为固相扶持物且在制备过程中运用了计算机芯片的制备技术,所以称为基因芯片技术。

  基因芯片的基本原理是利用杂交的原理,即DNA根据碱基配对原则,在常温下和中性条件下形成双链DNA,但在高温、碱性或有机溶剂等条件下,双螺旋之间的氢键断裂,双螺旋解开,形成单链(称为DNA变性,DNA变性时的温度称丁m值)。变性的DNA黏度下降,沉降速度增加,浮力上升,紫外吸收增加。当消除变性条件后,变性DNA两条互补链可以重新结合,恢复原来的双螺旋结构,这一过程称为复性。复性后的DNA,其理化性质能得到恢复。利用DNA这一重要理化特性,将两个以上不同来源的多核苷酸链之间由于互补性而使它们在复性过程中形成异源杂合的过程称为杂交(hybridization)。杂交体中的不是来自同一个二聚体。由于温度比其他变性方法更容易控制,当双链的核酸在高于其变性温度(Tm值)时,解螺旋成单链;当温度降到低于Tm值时,单链根据碱基的配对原则再度复性成双链。因此通常利用温度的变化使DNA在变性和复性的过程中进行核酸杂交。

  核酸单链之间有互补的碱基顺序,通过碱基对之间非共价键的形成即出现稳定的双链区,这是核酸杂交的基础。杂交的形成并不要求两条单链的碱基顺序完全互补,所以不同来源的核酸单链彼此之间只要有一定程度的互补就可以形成杂交双链,杂交可在DNA与DNA、RNA与RNA或RNA与DNA的两条单链之间。利用杂交这一特性,先将杂交链中的一条用某种可以检测的方式进行标记,再与另一种核酸(待测样本)进行杂交,然后对待测核酸序列进行定性或定量检测,分析待测样本中是否存在该基因或该基因的表达有无变化。通常称被检测的核酸为靶序列(target),用于探测靶DNA的互补序列被称为探针(probe)。在传统杂交技术如DNA印迹(Southern blotting)和RNA印迹(Northern blotting)中通常标记探针,被称为正向杂交方法;而基因芯片通常采用反向杂交方法,即将多个探针点在芯片上,样本的核酸靶标进行标记后与芯片进行杂交。这样的优点是同时可以研究成千上万的靶标,甚至将全基因组作为靶序列。

  基因芯片主要原理:在一块芯片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针。当溶液中带有荧光标记的核酸序列TATGCAATCTAG,与基因芯片上对应的核酸探针产生互补匹配时,通过确定荧光强度最强的探针,获得一组序列完全互补的探针序列。据此可重组出靶核酸的序列。

  基因芯片检测的基本原理与传统核酸印迹杂交(Southern blotting和Northern blot-ting)方法基本相似。但与传统核酸印迹杂交方法相比,基因芯片技术可以将极其大量的探针同时固定于支持物上,所以一次可以对大量的DNA或RNA进行检测分析,从而解决了传统核酸印迹杂交技术复杂、自动化程度低、检测目的数量少、效率低等不足,因此基因芯片技术具有高通量、多参数同步分析、快速全自动、高精确度、高精密度、高灵敏度等特点。

  1989年英国大学的Southern等取得了在刚性载体表面固定寡聚核苷酸及杂交法测序的专利,与此同时俄罗斯和美国的科学家也提出了运用杂交法测定核酸序列(seqtlencingby hybridization,SBH)的设想。在这些技术储备的基础上,1994年研制出了一种基因芯片并用于检测β-地中海贫血病的基因突变,筛选了100多个β-地中海贫血病已知的突变基因。这种生物芯片用测序时的基因译码速度比传统的Maxam—Gilbert化学降解法和Sanger生物学测序法快1000倍,是一种有前途的快速测序方法。在这些结果的鼓舞下,商业资本开始投入,1995年一些国际大公司与研究机构合作,共同开发具有商业价值的生物芯片及其相关的分析技术。1997年世界上第一张全基因组基因芯片——含有6116个基因的酵母全基因组芯片在斯坦福大学Brown实验室完成,从而使基因芯片技术在全世界迅速得到应用。

  基因芯片集成了探针固相原位合成技术、平版印刷技术、高合成技术、精密控制技术和激光共聚焦显微技术,使得合成、固定高密度的数以万计的探针以及对杂交信号进行实时、灵敏、准确的检测分析变得切实可行。基因芯片在国内外已形成研究与开发的热潮,许多科学家和企业家将基因芯片同当年的PCR相提并论,认为它将带来巨大的技术、社会和经济效益,正如电子管电向晶体管电和集成电发展时所经历的那样,核酸杂交技术的集成化也已经和正在使生物学技术发生着一场。

      威廉希尔