基因芯片原理

　　導(dǎo)讀：基因芯片又叫DNA芯片，之所以叫基因芯片是因?yàn)樵撔酒秦?fù)責(zé)檢測和分析基因的，本文將講述基因芯片的工作原理以及應(yīng)用。

基因芯片原理——介紹

　　基因芯片(gene chip)的原型是80年代中期提出的?；蛐酒臏y序原理是雜交測序方法，即通過與一組已知序列的核酸探針雜交進(jìn)行核酸序列測定的方法。

　　如上圖：在一塊基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探針。當(dāng)溶液中帶有熒光標(biāo)記的核酸序列TATGCAATCTAG，與基因芯片上對應(yīng)位置的核酸探針產(chǎn)生互補(bǔ)匹配時(shí)，通過確定熒光強(qiáng)度最強(qiáng)的探針位置，獲得一組序列完全互補(bǔ)的探針序列。據(jù)此可重組出靶核酸的序列。

基因芯片原理——原理

　　利用雜交的原理，即DNA根據(jù)堿基配對原則，在常溫下和中性條件下形成雙鏈DNA分子，但在高溫、堿性或有機(jī)溶劑等條件下，雙螺旋之間的氫鍵斷裂，雙螺旋解開，形成單鏈分子(稱為DNA變性，DNA變性時(shí)的溫度稱Tm值)。變性的DNA黏度下降，沉降速度增加，浮力上升，紫外吸收增加。當(dāng)消除變性條件后，變性DNA兩條互補(bǔ)鏈可以重新結(jié)合，恢復(fù)原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一過程稱為復(fù)性。復(fù)性后的DNA，其理化性質(zhì)能得到恢復(fù)。

　　利用DNA這一重要理化特性，將兩個(gè)以上不同來源的多核苷酸鏈之間由于互補(bǔ)性而使它們在復(fù)性過程中形成異源雜合分子的過程稱為雜交(hydridization)。雜交體中的分子不是來自同一個(gè)二聚體分子。由于溫度比其他變性方法更容易控制，當(dāng)雙鏈的核酸在高于其變性溫度(Tm值)時(shí)，解螺旋成單鏈分子;當(dāng)溫度降到低于Tm值時(shí)，單鏈分子根據(jù)堿基的配對原則再度復(fù)性成雙鏈分子。因此通常利用溫度的變化使DNA在變性和復(fù)性的過程中進(jìn)行核酸雜交。

　　核酸分子單鏈之間有互補(bǔ)的堿基順序.通過堿基對之間非共價(jià)鍵的形成即出現(xiàn)穩(wěn)定的雙鏈區(qū)，這是核酸分子雜交的基礎(chǔ)。雜交分子的形成并不要求兩條單鏈的堿基順序完全互補(bǔ)，所以不同來源的核酸單鏈彼此之間只要有一定程度的互補(bǔ)/頃序就可以形成雜交雙鏈，分子雜交可在DNA與DNA、RNA與RNA或RNA與DNA的兩條單鏈之間。利用分子雜交這一特性，先將雜交鏈中的一條用某種可以檢測的方式進(jìn)行標(biāo)記，再與另一種核酸(待測樣本)進(jìn)行分子雜交，然后對待測核酸序列進(jìn)行定性或定量檢測，分析待測樣本中是否存在該基因或該基因的表達(dá)有無變化。通常稱被檢測的核酸為靶序列(target)，用于探測靶DNA的互補(bǔ)序列被稱為探針(probe)。在傳統(tǒng)雜交技術(shù)如DNA印跡(Southern bloting)和RNA印跡(Northern bloting)中通常標(biāo)記探針，被稱為正向雜交方法;而基因芯片通常采用反向雜交方法，即將多個(gè)探針分子點(diǎn)在芯片上，樣本的核酸靶標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記后與芯片進(jìn)行雜交。這樣的優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)可以研究成千上萬的靶標(biāo)甚至全基因組作為靶序列。

　　具體地講，利用核酸的雜交原理，基因芯片可以實(shí)現(xiàn)兩大類的檢測：RNA水平的大規(guī)?；虮磉_(dá)譜的研究和檢測DNA的結(jié)構(gòu)及組成。

基因芯片原理——類型

　　基因芯片又稱為DNA微陣列(DNA microarray)，可分為三種主要類型：

　?、?固定在聚合物基片(尼龍膜，硝酸纖維膜等)表面上的核酸探針或cDNA片段，通常用同位素標(biāo)記的靶基因與其雜交，通過放射顯影技術(shù)進(jìn)行檢測。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是所需檢測設(shè)備與目前分子生物學(xué)所用的放射顯影技術(shù)相一致,相對比較成熟。但芯片上探針密度不高，樣品和試劑的需求量大，定量檢測存在較多問題。

　　Ⅱ 用點(diǎn)樣法固定在玻璃板上的DNA探針陣列，通過與熒光標(biāo)記的靶基因雜交進(jìn)行檢測。這種方法點(diǎn)陣密度可有較大的提高，各個(gè)探針在表面上的結(jié)合量也比較一致，但在標(biāo)準(zhǔn)化和批量化生產(chǎn)方面仍有不易克服的困難。

　　Ⅲ 在玻璃等硬質(zhì)表面上直接合成的寡核苷酸探針陣列,與熒光標(biāo)記的靶基因雜交進(jìn)行檢測。該方法把微電子光刻技術(shù)與DNA化學(xué)合成技術(shù)相結(jié)合，可以使基因芯片的探針密度大大提高，減少試劑的用量，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和批量化大規(guī)模生產(chǎn)，有著十分重要的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　它是在基因探針的基礎(chǔ)上研制出的，所謂基因探針只是一段人工合成的堿基序列，在探針上連接一些可檢測的物質(zhì)，根據(jù)堿基互補(bǔ)的原理，利用基因探針到基因混合物中識(shí)別特定基因。它將大量探針分子固定于支持物上，然后與標(biāo)記的樣品進(jìn)行雜交，通過檢測雜交信號(hào)的強(qiáng)度及分布來進(jìn)行分析?；蛐酒ㄟ^應(yīng)用平面微細(xì)加工技術(shù)和超分子自組裝技術(shù)，把大量分子檢測單元集成在一個(gè)微小的固體基片表面，可同時(shí)對大量的核酸和蛋白質(zhì)等生物分子實(shí)現(xiàn)高效、快速、低成本的檢測和分析。

基因芯片原理——應(yīng)用

　　由于尚未形成主流技術(shù)，生物芯片的形式非常多，以基質(zhì)材料分，有尼龍膜、玻璃片、塑料、硅膠晶片、微型磁珠等;以所檢測的生物信號(hào)種類分，有核酸、蛋白質(zhì)、生物組織碎片甚至完整的活細(xì)胞;按工作原理分類，有雜交型、合成型、連接型、親和識(shí)別型等。

　　由于生物芯片概念是隨著人類基因組的發(fā)展一起建立起來的，所以至今為止生物信號(hào)平行分析最成功的形式是以一種尼龍膜為基質(zhì)的“cDNA陣列”，用于檢測生物樣品中基因表達(dá)譜的改變。

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　　基因識(shí)別

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　　DNA芯片密碼系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)用階段將大有作為