生物芯片及其应用讲义.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,09 十一月 2026,生物芯片及其应用讲义,生物芯片,(,Biochips,),生物芯片,是将大量生物识别分子按预先设置的排列固定于一种载体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面，利用生物分子的特意性亲和反应，如核酸杂交反应，抗原抗体反应等来分子各种生物分子存在的量的一种技术。,生物芯片的分类,生物芯片的分类,根据用途还可以把生物芯片分为,两类：,信息生物芯片（information-biochip）,功能生物芯片（function-biochip）。,生物芯片,阵列型,仪器型,化,合,物,药,物,核,酸,多,肽,蛋,白,质,受,体,细,胞,细,胞,器,病,毒,微,小,组,织,样,品,筛,选,浓,缩,放,大,毛,细,管,电,泳,电,介,质,电,泳,色,谱,质,谱,微,型,光,谱,仪,芯,片,实,验,室,基因芯片,(Gene chip),什么是基因组(Genome),基因组就是一个物种中所有基因的整体组成,人类基因组有两层意义：,遗传信息,遗传物质,从整体水平研究基因的存在、基因的结构与功能、基因之间的相互关系。,人类染色体,人类单倍体基因组,含 30 亿 碱基对(bp)的 DNA序列。,编码序列约占3%，非编码序列约占97%。,包括约4 10万个基因，分布于22条常染色体和 X、Y性染色体。,功能基因组学,基因组DNA测序：,人类对自身基因组认识的第一步。,功能基因组学：,从基因组信息与外界环境相互作用的高度，阐明基因组的功能。,功能基因组学的研究内容：,人类基因组 DNA 序列变异性研究,基因组表达调控的研究,模式生物体的研究,生物信息学,基因组表达及调控的研究,在全细胞的水平，识别所有基因组表达产物：,mRNA：c DNA 阵列,蛋白质：二维电泳 质谱,研究生物大分子相互作用：,阐明基因组表达在发育过程中的时、空的整体调控网络。,蛋白质组学：,高通量解析蛋白质的高级结构，是连接基因组功能研究和新药开发的桥梁。,基因芯片的产生背景,传统技术的不断改进,基因信息分析规模不断扩大,-人类基因组计划的需求 （Human Genome Program),-后基因组时代的需求,基因芯片发展历史,Southern&Northern,Blot,Dot,Blot,Macroarray,Microarray,基因芯片,技术是通过,微阵列,技术,将高密度DNA片段阵列通过高速机器人或,原位合成方式,以一定的顺序或排列方式使其附着在如玻璃片等固相表面，以荧光标记的DNA探针，借助碱基互补杂交原理，进行大量的基因表达及监测等方面研究的最新革命性技术。,微阵列,技术巨大优势在于它可以,并行,地,宏量,获取生物信息，借助此技术发展的生物芯片则提供了以核酸杂交为基础的基因水平的表达监控，多态性研究和Genotyping。从而使我们对基因表达调控有更深入的了解。,基因芯片的工作原理与经典的核酸分子杂交方法是一致的，都是应用已知核酸序列作为探针与互补的靶核苷酸序列杂交，通过随后的信号检测进行定性与定量分析。,基因芯片是在一微小的基片（硅片、玻片、塑料片等）表面集成了大量的分子识别探针，能够在同一时间内平行分析大量的基因，进行大信息量的筛选与检测分析。,基因芯片主要技术流程包括：,芯片的设计与制备；,靶基因的标记；,芯片杂交与杂交信号检测。,1992年世界第一块原位合成基因芯片在美国Affymetrix诞生,1995年世界第一块微矩阵基因芯片在Stanford大学实验室诞生,-Science.1995,270:467-470,基因芯片的历史,八十年代末期俄美科学家提出杂交法测序,芯片常用制备方法的比较,原位合成,高密度（可达40万点/1.6平方厘米）,25bp,DNA,测序分析，寻找点突变,微量点样（针点、喷墨,较高密度（可达10万点/6.5平方厘米）,5005000bp,DNA、抗体抗原、受体药物等,对比分析,DNA芯片,cDNA芯片：通过PCR方法制备探针，然后用芯片点样仪把探针点在芯片基质载体上。不要求知道DNA序列。,寡核苷酸芯片：通过在芯片上原位合成；或者先合成寡核苷酸探针，再用芯片点样仪把探针点在芯片载体上。要求DNA的序列已知。特异性好。,Commercial chip,Human,Rat,Mouse,Drosophila,E.coli,Yeast,Zebrafish,Spotter machine,Spotter stage,Spotter head,Spotter pin,Home-made chip,基因芯片技术流程,制备方法及点样仪器,探针的制备：,标记方法,杂交：,杂交液、杂交温度、,洗涤条件的选择,扫描仪:激光,CCD,分析软件的开发,基因芯片的制备,杂交,检测,数据分析,Basic procedure,Operation flow chart,Chip,image,analysis,data,measurement,reaction,对照样品,测试样品,RNA,核酸提取,cDNA,核酸标记,提纯,芯片杂交,靶分子,正常细胞和癌细胞,野生型和敲除型,野生型和激活型,条件1和条件2：,营养、刺激、药物等等,点样制片,芯片扫描,图像分析,信息分析,DNA 微阵列实验体系,二、制备样本核酸探针,1、样本总RNA的抽提：异硫氰酸胍,2、mRNA的分离与纯化：oligodT,3、反转录并标记,随机引物法逆转录,标记物：同位素、荧光染料(cy3-绿色/cy5红色)、化学发光,三、杂交实验条件,杂交,杂交体积(使核酸浓度增加10万倍）玻片:2-200,l,滤膜：5-50ml,杂交液和杂交液的组份,杂交温度、时间,洗涤,洗涤液的组成,洗涤的温度、时间,四、杂交信号的检测,1、激光共聚焦扫描,光源：特定波长的光,激发面积：100,m,2,ScanArray 3000,2、CCD 成像术,光源：连续波长的光（如弧光灯）,激发面积：同时激发多个1cm,2,五、芯片数据的处理和分析,图像的处理,数据的获取、存储与显示,芯片数据统一化,芯片数据的统计学分析,芯片数据的生物学分析,特定基因检测,突变检测,多态性分析,基因表达谱,基因芯片的应用,生物信息学的工具,基因相关性研究,基因功能,药物设计和开发,潜在反义试剂开发,个体化医疗,身份识别,基因诊断,其他与生物有关的领域,蛋白质组学和,结构基因组学,高通量药物筛选,药物设计和小分子设计,生物芯片,计算机辅助药物筛选,高通量虚拟筛选方法,蛋白质蛋白质相互,作用识别，信号传导系统、代谢途径的分子模拟，蛋白质折叠和构象变化的长时分子动力学模拟.,基因组信息,生物信息,计算机辅助先导化合物设计、药物设计,