生物芯片入门doc文档格式.docx
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Schena等采用拟南芥基因组内共45个基因的cDNA微阵列（其中14个为完全序列,31个为EST），检测该植物的根、叶组织内这些基因的表达水平，用不同颜色的荧光素标记逆转录产物后分别与该微阵列杂交，经激光共聚焦显微扫描，发现该植物根和叶组织中存在26个基因的表达差异，而参与叶绿素合成的CAB1基因在叶组织较根组织表达高500倍。
Schena等用人外周血淋巴细胞的cDNA文库构建一个代表1046个基因的cDNA微阵列，来检测体外培养的T细胞对热休克反应后不同基因表达的差异，发现有5个基因在处理后存在非常明显的高表达，11个基因中度表达增加和6个基因表达明显抑制。
该结果还用荧光素交换标记对照和处理组及RNA印迹方法证实。
在HGP完成之后，用于检测在不同生理、病理条件下的人类所有基因表达变化的基因组芯片为期不远了。
2、基因诊断
从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱。
从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱。
通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。
这种基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。
例如Affymetrix公司，把P53基因全长序列和已知突变的探针集成在芯片上，制成P53基因芯片，将在癌症早期诊断中发挥作用。
又如，Heller等构建了96个基因的cDNA微阵，用于检测分析关节炎、风湿性关节炎（RA）相关的基因，以探讨DNA芯片在感染性疾病诊断方面的应用。
现在，肝炎病毒检测诊断芯片、结核杆菌耐药性检测芯片、多种恶性肿瘤相关病毒基因芯片等一系列诊断芯片逐步开始进入市场。
基因诊断是基因芯片中最具有商业化价值的应用。
3、药物筛选
如何分离和鉴定药的有效成份是目前中药产业和传统的西药开发遇到的重大障碍，基因芯片技术是解决这一障碍的有效手段，它能够大规模地筛选、通用性强，能够从基因水平解释药物的作用机理，即可以利用基因芯片分析用药前后机体的不同组织、器官基因表达的差异。
如果再cDNA表达文库得到的肽库制作肽芯片，则可以从众多的药物成分中筛选到起作用的部分物质。
还有，利用RNA、单链DNA有很大的柔性，能形成复杂的空间结构，更有利与靶分子相结合，可将核酸库中的RNA或单链DNA固定在芯片上，然后与靶蛋白孵育，形成蛋白质-RNA或蛋白质-DNA复合物，可以筛选特异的药物蛋白或核酸，因此芯片技术和RNA库的结合在药物筛选中将得到广泛应用。
在寻找HIV药物中，Jellis等用组合化学合成及DNA芯片技术筛选了654536种硫代磷酸八聚核苷酸，并从中确定了具有XXG4XX样结构的抑制物，实验表明，这种筛选物对HIV感染细胞有明显阻断作用。
生物芯片技术使得药物筛选，靶基因鉴别和新药测试的速度大大提高，成本大大降低。
基因芯片药物筛选技术工作目前刚刚起步，美国很多制药公司已开始前期工作，即正在建立表达谱数据库，从而为药物筛选提供各种靶基因及分析手段。
这一技术具有很大的潜在应用价值。
4、个体化医疗
临床上，同样药物的剂量对病人甲有效可能对病人乙不起作用，而对病人丙则可能有副作用。
在药物疗效与副作用方面，病人的反应差异很大。
这主要是由于病人遗传学上存在差异（单核苷酸多态性，SNP），导致对药物产生不同的反应。
例如细胞色素P450酶与大约25%广泛使用的药物的代谢有关，如果病人该酶的基因发生突变就会对降压药异喹胍产生明显的副作用，大约5%~10%的高加索人缺乏该酶基因的活性。
现已弄清楚这类基因存在广泛变异，这些变异除对药物产生不同反应外，还与易犯各种疾病如肿瘤、自身免疫病和帕金森病有关。
如果利用基因芯片技术对患者先进行诊断，再开处方，就可对病人实施个体优化治疗。
另一方面，在治疗中，很多同种疾病的具体病因是因人而异的，用药也应因人而异。
例如乙肝有较多亚型，HBV基因的多个位点如S、P及C基因区易发生变异。
若用乙肝病毒基因多态性检测芯片每隔一段时间就检测一次，这对指导用药防止乙肝病毒耐药性很有意义。
又如，现用于治疗AIDS的药物主要是病毒逆转录酶RT和蛋白酶PRO的抑制剂，但在用药3～12月后常出现耐药，其原因是rt、pro基因产生一个或多个点突变。
Rt基因四个常见突变位点是Asp67→Asn、Lys70→Arg、Thr215→Phe、Tyr和Lys219→Glu，四个位点均突变较单一位点突变后对药物的耐受能力成百倍增加。
如将这些基因突变部位的全部序列构建为DNA芯片，则可快速地检测病人是这一个或那一个或多个基因发生突变，从而可对症下药，所以对指导治疗和预后有很大的意义。
5、测序
基因芯片利用固定探针与样品进行分子杂交产生的杂交图谱而排列出待测样品的序列，这种测定方法快速而具有十分诱人的前景。
Markchee等用含135000个寡核苷酸探针的阵列测定了全长为16.6kb的人线粒体基因组序列，准确率达99%。
Hacia等用含有48000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差异，结果发现在外显子11约3.4kb长度范围内的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之间，提示了二者在进化上的高度相似性。
据未经证实的报道，近年有一种不成熟的生物芯片在15分钟内完成了1.6万个碱基对的测定,96个这样的生物芯片的平行工作，就相当于每天1.47亿个碱基对的分析能力！
6、生物信息学研究
人类基因组计划（HGP）是人类为了认识自己而进行的一项伟大而影响深远的研究计划。
目前的问题是面对大量的基因或基因片断序列如何研究其功能，只有知道其功能才能真正体现HGP计划的价值--破译人类基因这部天书。
后基因组计划、蛋白组计划、疾病基因组计划等概念就是为实现这一目标而提出的。
基因的功能并不独立的，一个基因表达的上调或者下调往往会影响上游和下游几个基因表达状态的改变，从而进一步引起和这几个基因相关的更多基因的表达模式的改变。
基因之间的这种复杂的相互作用组成了一张交错复杂的立体的关系网。
像过去那样孤立的理解某个基因的功能已经远远不够了，需要我们站在更高的层次全面的理解这种相互关系，全面了解不同个体基因变异、不同组织、不同时间、不同生命状态等的基因表达差异信息，并找出其中规律。
生物信息学将在其中扮演至关重要的角色。
基因芯片技术就是为实现这一环节而建立的，使对个体生物信息进行高速、并行采集和分析成为可能，必将成为未来生物信息学研究中的一个重要信息采集和处理平台，成为基因组信息学研究的主要技术支撑。
比如研究基因生物学功能的最好方式是监测基因在不同组织、不同发育阶段、不同健康状况下在机体中活性的变化。
这是一项非常麻烦的工作，但基因芯片技术可以允许研究人员同时测定成千上万个基因的作用方式，几周内获得的信息用其它方法需要几年才能得到。
由于人类基因只是地球上几十万种生物基因资源中的一份子，在今后的几十年内，人类将测出所有物种的“基因图谱”。
因此，类似如人类基因组计划的上调或者下调往往会影响上游和下游几个基因表达状态的改变，从而进一步引起和这几个基因相关的更多基因的表达模式的改变。
由于人类基因只是地球上几十万种生物基因资源中的一份子，在今后的几十年内，人类将测出所有物种的"
基因图谱"
。
因此，类似如人类基因组计划的基因研究和生物信息产业，还仅仅是一个起步，其将来的发展前景是无法估量的。
生物芯片作为生物信息学的主要技术支撑和操作平台，其广阔的发展空间就不言而喻。
在实际应用方面，生物芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物基因组图谱、药物筛选、中药物种鉴定、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防等许多领域。
它将为人类认识生命的起源、遗传、发育与进化、为人类疾病的诊断、治疗和防治开辟全新的途径，为生物大分子的全新设计和药物开发中先导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提供技术支撑平台，这从我国99年3月国家科学技术部刚起草的《医药生物技术“十五”及2015年规划》中便可见一斑：
规划所列十五个关键技术项目中，就有八个项目（基因组学技术、重大疾病相关基因的分离和功能研究、基因药物工程、基因治疗技术、生物信息学技术、组合生物合成技术、新型诊断技术、蛋白质组学和生物芯片技术）要使用生物芯片。
生物芯片技术被单列作为一个专门项目进行规划。
总之，生物芯片技术在医学、生命科学、药业、农业、环境科学等凡与生命活动有关的领域中均具有重大的应用前景。
生物芯片技术
20世纪90年代初开始实施的人类基因组计划（Humangenomeproject，HGP）取得了人们当初意料不到的巨大进展。
目前已经测定了十多种微生物以及高等动植物的全基因组序列，海量的基因序列数据正在以前所未有的速度膨胀。
一个现实的科学问题摆到了人们面前：
如何研究如此众多基因在生命过程中所担负的功能?
如何有效利用如此海量的基因信息揭示人类生老病死的一般规律，并为人类最终战胜各种病魔提供有效武器？
于是，一项类似于计算机芯片技术的新兴生物高技术随着人类基因组研究的进展应运而生了。
生物芯片的种类生物芯片是近10年在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术。
它主要是指通过微加工和微电子技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统，以实现对生命机体的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类以及其他生物组分进行准确、快速、大信息量的检测。
目前常见的生物芯片分为三大类：
即基因芯片（Genechip，DNAchip，DNAmicroarray）、蛋白芯片（Proteinchip）、芯片实验室（Lab-on-a-chip）等。
生物芯片主要特点是高通量、微型化和自动化。
生物芯片上高度集成的成千上万密集排列的分子微阵列，能够在很短时间内分析大量的生物分子，使人们能够快速准确地获取样品中的生物信息，检测效率是传统检测手段的成百上千倍。
生物芯片将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。
基因芯片是生物芯片技术中发展最成熟和最先实现商品化的产品。
基因芯片是基于核酸探针互补杂交技术原理而研制的。
所谓核酸探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接上一些可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。
基因芯片，又称DNA芯片，DNA微阵列（DNAmicroarray），和我们日常所说的计算机芯片非常相似，只不过高度集成的不是半导体管，而是成千上万的网格状密集排列的基因探针，通过已知碱基顺序的DNA片段，来结合碱基互补序列的单链DNA，从而确定相应的序列，通过这种方式来识别异常基因或其产物等。
目前，比较成熟的产品有检测基因突变的基因芯片和检测细胞基因表达水平的基因表达谱芯片。
基因芯片技术主要包括四个基本技术环节：
芯片微阵列制备、样品制备、生物分子反应和信号的检测及分析。
目前制备芯片主要采用表面化学的方法或组合化学的方法来处理固相基质如玻璃片或硅片，然后使DNA片段或蛋白质分子按特定顺序排列在片基上。
目前已有将近40万种不同的DNA分子放在1平方厘米的高密度基因芯片，并且正在制备包含上百万个DNA探针的人类基因芯片。
生物样品的制备和处理是基因芯片技术的第二个重要环节。
生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一般不能直接与芯片进行反应。
要将样品进行特定的生物处理，获取其中的蛋白质或DNA、RNA等信息分子并加以标记，以提高检测的灵敏度。
第三步是生物分子与芯片进行反应。
芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键一步。
通过选择合适的反应条件使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间的错配比率，从而获取最能反映生物本质的信号。
基因芯片技术的最后一步就是芯片信号检测和分析。
目前最常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中，通过采集各反应点的荧光强弱和荧光位置，经相关软件分析图像，即可以获得有关生物信息。
蛋白芯片与基因芯片的原理相似。
不同之处有，一是芯片上固定的分子是蛋白质如抗原或抗体等。
其二，检测的原理是依据蛋白分子、蛋白与核酸、蛋白与其它分子的相互作用。
蛋白芯片技术出现得较晚，尚处于发展时期，最近也取得了重大进展。
例如，最近一期国际著名科学（Science）杂志报道了酵母蛋白质组芯片（proteomechip）。
这是目前为止第一个包含一种生物全部蛋白质分子的蛋白质芯片。
相信，不久将会有包含更高等生物甚至人类蛋白质组的蛋白质芯片研制成功，并应用于生物医学基础研究和疾病诊断。
芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。
它将样品制备、生化反应以及检测分析的整个过程集约化形成微型分析系统。
现在已有由加热器、微泵、微阀、微流量控制器、微电极、电子化学和电子发光探测器等组成的芯片实验室问世，并出现了将生化反应、样品制备、检测和分析等部分集成的生物芯片。
例如可以将样品制备和PCR扩增反应同时在一块小小的芯片上完成。
再如GeneLogic公司设计制造的生物芯片可以从待检样品中分离出DNA或RNA，并对其进行荧光标记，然后当样品流过固定于栅栏状微通道内的寡核苷酸探针时便可捕获与之互补的靶核酸序列。
应用自主开发的检测设备即可实现对杂交结果的检测与分析。
这种芯片由于寡核苷酸探针具有较大的吸附表面积，可以很灵敏地检测到稀有基因的变化。
同时，由于该芯片设计的微通道具有浓缩和富集作用，所以可以加速杂交反应，缩短测试时间，从而降低了测试成本。
国内外研究现状生物芯片技术的飞速发展引起了世界各国的广泛关注和重视。
1998年6月29日美国宣布正式启动生物芯片计划，美国国立卫生部、能源部、商业部、司法部、国防部、中央情报局等均参与了此项目。
同时斯坦福大学、麻省理工学院及部分国家实验室也参与了该项目的研究和开发。
世界各国也纷纷加大投入，英国剑桥大学、欧亚公司正在从事该领域的研究。
世界大型制药公司尤其对基因芯片技术用于基因多态性、疾病相关性、基因药物开发和合成或天然药物筛选等领域感兴趣，都已建立了或正在建立自己的芯片设备和技术。
以生物芯片为核心的相关产业正在全球崛起，目前美国已有10多家生物芯片公司股票上市，平均每年股票上涨75%。
专家统计：
全球目前生物芯片工业产值为10亿美元左右，预计今后5年之内，生物芯片的市场销售可达到200亿美元以上。
美国《财富》杂志刊文指出，微处理器使我们的经济发生了根本变化，给人类带来了巨大的财富，改变了我们的生活方式。
然而，生物芯片给人类带来的影响可能更大。
在20世纪科技史上有两件事影响深远，一是微电子芯片，它是计算机和许多家电的心脏，它改变了我们的经济和文化生活，并已进入每一个家庭；
另一件事就是生物芯片，它将改变生命科学的研究方式，革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。
生物芯片作为基因工业的一部分，可广泛用于医学临床诊断、药物开发、环境监测等领域，有着广阔的市场前景，对人类生活与健康将产生多方面深远影响。
鉴于生物芯片技术具有巨大理论意义和实际价值，也为了我国生物芯片技术不再重蹈计算机芯片的覆辙，我国政府、科技界和商业界几乎同时意识到生物芯片技术的重大战略意义和蕴藏的无限商机，开展了生物芯片技术研发。
其中最具代表性的事件就是2000年初由国内从事生物芯片技术研究的多家单位进行强强联合成立了国家生物芯片技术中心。
中国工程院2000年1月6日在京举办首次工程科技论坛，专题定为“生物芯片技术”，与会科学家呼吁：
以生物芯片技术为核心的各相关产业正在全球崛起，世界工业发达国家已开始有计划、大投入、争先恐后地对该领域知识产权进行保护。
我国应迅速制定适合中国国情的对策，以避免出现像计算机产业那样因没有自己的芯片专利和技术而受制于人的被动局面。
目前国内已有多家科研单位开始从事这方面的研究。
例如，清华大学、中国科学院、军事医学科学院等单位在国内率先开展了生物芯片技术研究，建立了生物芯片技术体系，并已在生物芯片技术和产品开发方面取得了较大突破。
可以相信不久将有我国自主生产的生物芯片产品投放市场。
生物芯片的应用生物芯片应用前景十分广阔。
如可以应用于寻找新基因、DNA测序、疾病诊断、药物筛选、毒理基因组学、农作物优育和优选、环境检测和防治、食品卫生监督以及司法鉴定等等。
使用基因芯片分析人类基因组，可找出癌症、糖尿病由遗传基因缺陷引起疾病的致病的遗传基因。
生物医学研究人员可以在数秒钟内鉴定出导致癌症的突变基因。
借助一小滴测试液，医生们能预测药物对病人的功效和是否有毒副作用。
利用基因芯片分析遗传基因，未来可以使糖尿病的确诊率达到50%以上。
可以想象，未来人们在体检时，由搭载基因芯片的诊断机器人对受检者取血，转瞬间体检结果便可以显示在计算机屏幕上。
利用基因诊断，医疗将从目前千篇一律的“大众医疗”的时代，过渡到依据个人遗传背景而异的“个体化医疗”的时代。
生物芯片在疾病检测诊断方面具有独特的优势，它可以在一张芯片上同时对多个病人进行多种疾病的检测。
仅用极小量的样品，在极短时间内，向医务人员提供大量的疾病诊断信息，这些信息有助于医生在短时间内找到正确的治疗措施。
例如对肿瘤、糖尿病、传染性疾病等常见病和多发病的临床检验及健康人群检查，均可以应用生物芯片技术。
今后人们可以拥有个人化验室，无论在地球任何地方，随时可以对自己的健康状况进行监测。
在药物筛选方面，目前国外几乎所有的主要制药公司都不同程度地采用了生物芯片技术来寻找药物靶标，查检药物的毒性或副作用。
用芯片技术进行大规模的药物筛选可以省略大量的动物试验，缩短药物筛选所用时间，从而带动创新药物的研究和开发。
基因芯片在环保方面的应用表现在，可高效地探测到由微生物或有机物引起的污染，还能帮助研究人员找到并合成具有解毒和消化污染物功能的天然酶基因。
这种对环境友好的基因一旦被发现，研究人员将把它们转入普通的细菌中，然后用这种转基因细菌清理被污染的河流或土壤。
另外生物芯片在农业、食品监督、司法鉴定等方面都将作出重大贡献。
生物芯片技术的深入研究和广泛应用，将对21世纪人类生活和健康产生极其深远的影响。
《科学》：
生物芯片与基因发现
最新一期《Science》发表K.K.Jain的文章BiochipsforGeneSpotting，全文如下：
发表生物芯片是目前生物技术中主要的技术之一。
研究人员从计算机技术中借用了微型化、整合、平行化处理的技术来发展在芯片上的实验室装置和处理过程。
一般地，在芯片上的靶标是有序排列的样本，如cDNA，寡核苷酸或者蛋白质等。
宏观矩阵（Macroarraying）也可称之为画格子，把样本点到比较大的尼龙膜上，通过杂交来分析它们。
然而，微矩阵（Microarraying）的点直径小于200微米，并需要显微分析。
把那么多的信息放在一个很小的空间里使得微矩阵有明显的优势。
一个微矩阵（DNAmicroarray）只占有几平方厘米的空间，但是包含了上千个靶点，每一个点代表了一个基因的部分。
因此，在芯片上设计包含一个复杂生物体的所有基因，大约30000到60000个是可能的。
随着生物芯片技术的发展，有很多的语言来描述它。
至少有23种不同的术语来描述微矩阵。
最常用的是称之为“DNA芯片”（DNAchip），虽然“基因芯片”（gengchip）这个词有时也用，但是GeneChip是Affymetrix公司基因分析研究用的专利微矩阵，它能够在一片上摆放多至400000个不同的寡核苷酸片段或10000个基因的每个基因的40个片段。
DNA微矩阵系统是多用途的工具，可以用来变异分析，基因测序和基因表达分析。
这些系统组合了DNA芯片和样本处理装置，用于阅读信号分子的扫描仪，分析数据的生物信息学工具等。
通过与固定在芯片上的寡核苷酸杂交，可以容易地在基因组规模上来定量分析特定mRNAs的表达或检测基因组DNA的多态性。
芯片技术也可以用来分析蛋白质。
如产品ProteinChip（CiphergenbiosystemInc.，Fremont，California）能把蛋白质点阵到经化学方法或酶、受体、抗体等生物学方法处理过的固体表面。
通过衡量与芯片表面的亲和力来分析未知分子，用聚焦的激光能量把它们从表面分离下来，根据分子量来检测。
这样的芯片可以用来进行免疫分析，蛋白-蛋白间的相互作用和配体结合分析。
这儿主要集中于讲DNA芯片的使用和不同类型的蛋白芯片。
DNA微矩阵是一种同时对上千个基因的表达进行分析的好工具。
最普遍的是，微矩阵分析是通过荧光标记的cDNAs（来自RNA）与固定在芯片上的序列杂交。
这儿，探针指的是荧光标记的DNAs，靶标指的是固定的序列。
这些定义与传统的杂交技术中的刚好相反，所以读者需要注意。
用于基因表达的微矩阵分
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