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為該芯片是負責(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。基因芯片的測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。當溶液中帶有熒光標記的核酸序列TATGCAATCTAG，與基因芯片上對應(yīng)位置的核酸探針產(chǎn)生互補匹配時，通過確定熒光強度最強的探針位置，獲得一組序列完全互補的探針序列。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。當消除變性條件后，變性DNA兩條互補鏈可以重新結(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，將兩個以上不同來源的多核苷酸鏈之間由于互補性而使它們在復(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二聚體分子。由于溫度比其他變性方法更容易控制，當雙鏈的核酸在高于其變性溫度(Tm值)時，解螺旋成單鏈分子;當溫度降到低于Tm值時，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)性的過程中進行核酸雜交。

　　核酸分子單鏈之間有互補的堿基順序.通過堿基對之間非共價鍵的形成即出現(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，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/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行標記，再與另一種核酸(待測樣本)進行分子雜交，然后對待測核酸序列進行定性或定量檢測，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，即將多個探針分子點在芯片上，樣本的核酸靶標進行標記后與芯片進行雜交。這樣的優(yōu)點是同時可以研究成千上萬的靶標甚至全基因組作為靶序列。

　　具體地講，利用核酸的雜交原理，基因芯片可以實現(xiàn)兩大類的檢測：RNA水平的大規(guī)模基因表達譜的研究和檢測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：

　　Ⅰ 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，通常用同位素標記的靶基因與其雜交，通過放射顯影技術(shù)進行檢測。這種方法的優(yōu)點是所需檢測設(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 用點樣法固定在玻璃板上的DNA探針陣列，通過與熒光標記的靶基因雜交進行檢測。這種方法點陣密度可有較大的提高，各個探針在表面上的結(jié)合量也比較一致，但在標準化和批量化生產(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,與熒光標記的靶基因雜交進行檢測。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，實現(xiàn)標準化和批量化大規(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)堿基互補的原理，利用基因探針到基因混合物中識別特定基因。它將大量探針分子固定于支持物上，然后與標記的樣品進行雜交，通過檢測雜交信號的強度及分布來進行分析。基因芯片通過應(yīng)用平面微細加工技術(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微小的固體基片表面，可同時對大量的核酸和蛋白質(zhì)等生物分子實現(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種類分，有核酸、蛋白質(zhì)、生物組織碎片甚至完整的活細胞;按工作原理分類，有雜交型、合成型、連接型、親和識別型等。

　　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譜的改變。

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