生物芯片入門（五）：應用

基因芯片技術及其研究現狀和應用前景

生物芯片技術是隨著“人類基因組計劃”（human genome project，HGP）的進展而發展起來的，它是90年代中期以來影響最深遠的重大科技進展之一，它融微電子學、生物學、物理學、化學、計算機科學為一體的高度交叉的新技術，具有重大的基礎研究價值，又具有明顯的產業化前景。生物芯片技術包括基因芯片、蛋白質芯片、細胞芯片、組織芯片、以及元件型微陣列芯片、通道型微陣列芯片、生物傳感芯片等新型生物芯片。本文主要討論基因芯片技術，它為“后基因組計劃”時期基因功能的研究提供了強有力的工具，將會使基因診斷、藥物篩選、給藥個性化等方面取得重大突破，該技術被評為1998年度世界十大科技進展之一。

1、基本概念

基因芯片（gene chip）也叫DNA芯片、DNA微陣列（DNA microarray）、寡核苷酸陣列（oligonucleotide array），是指采用原位合成（in situ synthesis）或顯微打印手段，將數以萬計的DNA探針固化于支持物表面上，產生二維DNA探針陣列，然后與標記的樣品進行雜交，通過檢測雜交信號來實現對生物樣品快速、并行、高效地檢測或醫學診斷，由于常用硅芯片作為固相支持物，且在制備過程運用了計算機芯片的制備技術，所以稱之為基因芯片技術。

2、技術基本過程

2．1 DNA方陣的構建

選擇硅片、玻璃片、瓷片或聚丙烯膜、尼龍膜等支持物，并作相應處理，然后采用光導化學合成和照相平板印刷技術可在硅片等表面合成寡核苷酸探針；或者通過液相化學合成寡核苷酸鏈探針，或PCR技術擴增基因序列，再純化、定量分析，由陣列復制器（arraying and replicating device ARD），或陣列機（arrayer）及電腦控制的機器人，準確、快速地將不同探針樣品定量點樣于帶正電荷的尼龍膜或硅片等相應位置上，再由紫外線交聯固定后即得到DNA微陣列或芯片。

2．2 樣品DNA或mRNA的準備

從血液或活組織中獲取的DNA/mRNA樣品在標記成為探針以前必須進行擴增提高閱讀靈敏度。Mosaic Technologies公司發展了一種固相PCR系統，好于傳統PCR技術，他們在靶DNA上設計一對雙向引物，將其排列在丙烯酰胺薄膜上，這種方法無交叉污染且省去液相處理的繁鎖；Lynx Therapeutics公司提出另一個革新的方法，即大規模平行固相克隆（massively parallel solid-phase cloning）這個方法可以對一個樣品中數以萬計的DNA片段同時進行克隆，且不必分離和單獨處理每個克隆，使樣品擴增更為有效快速。

在PCR擴增過程中，必須同時進行樣品標記，標記方法有熒光標記法、生物素標記法、同位素標記法等。

2．3 分子雜交

樣品DNA與探針DNA互補雜交要根據探針的類型和長度以及芯片的應用來選擇、優化雜交條件。如用于基因表達監測，雜交的嚴格性較低、低溫、時間長、鹽濃度高；若用于突變檢測，則雜交條件相反。芯片分子雜交的特點是探針固化，樣品熒光標記，一次可以對大量生物樣品進行檢測分析，雜交過程只要30min。美國Nangon公司采用控制電場的方式，使分子雜交速度縮到1min，甚至幾秒鐘。德國癌癥研究院的Jorg Hoheisel等認為以肽核酸（PNA）為探針效果更好。

2．4 雜交圖譜的檢測和分析

用激光激發芯片上的樣品發射熒光，嚴格配對的雜交分子，其熱力學穩定性較高，熒光強；不完全雜交的雙鍵分子熱力學穩定性低，熒光信號弱（不到前者的1/35～1/5），不雜交的無熒光。不同位點信號被激光共焦顯微鏡，或落射熒光顯微鏡等檢測到，由計算機軟件處理分析，得到有關基因圖譜。目前，如質譜法、化學發光法、光導纖維法等更靈敏、快速，有取代熒光法的趨勢。

3、應用

3．1 測序

基因芯片利用固定探針與樣品進行分子雜交產生的雜交圖譜而排列出待測樣品的序列，這種測定方法快速而具有十分誘人的前景。Mark chee等用含135000個寡核苷酸探針的陣列測定了全長為16.6kb的人線粒體基因組序列，準確率達99%。Hacia等用含有48000個寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差異，結果發現在外顯子11約3.4kb長度范圍內的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之間，提示了二者在進化上的高度相似性。

3．2 基因表達水平的檢測

用基因芯片進行的表達水平檢測可自動、快速地檢測出成千上萬個基因的表達情況。Schena等采用擬南芥基因組內共45個基因的cDNA微陣列（其中14個為完全序列，31個為EST），檢測該植物的根、葉組織內這些基因的表達水平，用不同顏色的熒光素標記逆轉錄產物后分別與該微陣列雜交，經激光共聚焦顯微掃描，發現該植物根和葉組織中存在26個基因的表達差異，而參與葉綠素合成的CAB1基因在葉組織較根組織表達高500倍。Schena等用人外周血淋巴細胞的cDNA文庫構建一個代表1046個基因的cDNA微陣列，來檢測體外培養的T細胞對熱休克反應后不同基因表達的差異，發現有5個基因在處理后存在非常明顯的高表達，11個基因中度表達增加和6個基因表達明顯抑制。該結果還用熒光素交換標記對照和處理組及RNA印跡方法證實。在HGP完成之后，用于檢測在不同生理、病理條件下的人類所有基因表達變化的基因組芯片為期不遠了。

3．3 基因診斷

從正常人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出標準圖譜。從病人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出病變圖譜。通過比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息。這種基因芯片診斷技術以其快速、高效、敏感、經濟、平行化、自動化等特點，將成為一項現代化診斷新技術。例如，Affymetrix公司，把P53基因全長序列和已知突變的探針集成在芯片上，制成P53基因芯片，將在癌癥早期診斷中發揮作用。又如，Heller等構建了96個基因的cDNA微陣，用于檢測分析關節炎、風濕性關節炎（RA）相關的基因，以探討DNA芯片在感染性疾病診斷方面的應用。現在，肝炎病毒檢測診斷芯片、結核桿菌耐藥性檢測芯片、多種惡性腫瘤相關病毒基因芯片等一系列診斷芯片逐步開始進入市場。基因診斷是基因芯片中最具有商業化價值的應用。

3．4 藥物篩選

如何分離和鑒定藥的有效成份是目前中藥產業和傳統的西藥開發遇到的重大障礙，基因芯片技術是解決這一障礙的有效手段，它能夠大規模地篩選、通用性強，能夠從基因水平解釋藥物的作用機理，即可以利用基因芯片分析用藥前后機體的不同組織、器官基因表達的差異。如果再用mRNA 構建cDNA表達文庫，然后用得到的肽庫制作肽芯片，則可以從眾多的藥物成分中篩選到起作用的部分物質。或者,利用RNA、單鏈DNA有很大的柔性，能形成復雜的空間結構，更有利與靶分子相結合，可將核酸庫中的RNA或單鏈DNA固定在芯片上，然后與靶蛋白孵育，形成蛋白質-RNA或蛋白質-DNA復合物，可以篩選特異的藥物蛋白或核酸，因此芯片技術和RNA庫的結合在藥物篩選中將得到廣泛應用。在尋找HIV藥物中，Jellis等用組合化學合成及DNA芯片技術篩選了654536種硫代磷酸八聚核苷酸，并從中確定了具有XXG4XX樣結構的抑制物，實驗表明，這種篩選物對HIV感染細胞有明顯阻斷作用。生物芯片技術使得藥物篩選，靶基因鑒別和新藥測試的速度大大提高，成本大大降低。基因芯片藥物篩選技術工作目前剛剛起步，美國很多制藥公司已開始前期工作，即正在建立表達譜數據庫，從而為藥物篩選提供各種靶基因及分析手段。這一技術具有很大的潛在應用價值。