1 基因芯片概述
跟着人类基因组方案( Human Genome Project)即悉数核苷酸测序的行将完结，人类基因组研讨的重心逐步进入后基因组年代（ Postgenome Era）向基因的功用及基因的多样性歪斜。经过对个别在不同成长发育阶段或不同生理情况下很多基因表达的平行剖析，研讨相应基因在生物体内的功用，说明不同层次多基因协同效果的机理，进而在人类严重疾病如癌症、心血管疾病的发病机理、确诊医治、药物开发等方面的研讨发挥巨大的效果。它将大大推进人类结构基因组及功用基因组的各项基因组研讨方案。
基因芯片的作业原理与经典的核酸分子杂交办法（southern 、northern）是共同的，都是运用已知核酸序列作为探针与互补的靶核苷酸序列杂交，经过随后的信号检测进行定性与定量剖析，基因芯片在一细小的基片（硅片、玻片、塑料片等）外表集成了很多的分子辨认探针，可以在同一时刻内平行剖析很多的基因，进行大信息量的挑选与检测剖析。基因芯片首要技能流程包含：芯片的规划与制备；靶基因的符号；芯片杂交与杂交信号检测。
基因芯片的规划实际上是指芯片上核酸探针序列的挑选以及排布，规划办法取决于其运用意图，现在的运用规划首要包含基因表达和转录图谱剖析及靶序列中单碱基多态位点（single nucleotide polymorphism，SNP）或骤变点的检测，表达型芯片的意图是在杂交试验中对多个不同情况样品(不同安排或不同发育阶段、不同药物影响)中数千基因的表达差异进行定量检测，探针序列一般来自于已知基因的cDNA 或EST库，规划时序列的特异性应放在首要方位，以确保与待测意图基因的特异结合，关于同一意图基因可规划多个序列不相重复的探针，使终究的数据更为牢靠。基因单碱基多态检测的芯片一般选用等长移位规划法，即按靶序列自始至终顺次取必定长度的互补的核苷酸序列构成一探针组合，这组探针是与靶序列彻底匹配的野生型探针，然后关于每一野生型探针，将其中心方位的某一碱基别离用其它三种碱基替换，构成三种不同的单碱基改变的核苷酸探针，这种规划可以对某一段核酸序列一切或许的SNPs位点进行扫描。
芯片制备办法首要包含两品种型：(1)点样法：首先是探针库的制备, 依据基因芯片的剖析方针从相关的基因数据库中选取特异的序列进行PCR扩增或直接人工组成寡核苷酸序列，然后经过计算机控制的三坐标作业渠道用特别的针头和微喷头别离把不同的探针溶液逐点分配在玻璃、尼龙以及其它固相基片外表的不同位点上，经过物理和化学的办法使之固定，该办法各技能环节均较老练，且灵活性大，合适于研讨单位依据需求自行制备点阵规划适中的基因芯片。(2)原位组成法：该法是在玻璃等硬质外表上直接组成寡核苷酸探针阵列，现在运用的首要有光去维护并行组成法，压电打印组成法等，其关键是高空间分辨率的模板定位技能和高组成产率的DNA化学组成技能，合适制造大规划DNA探针芯片，完成高密度芯片的规范化和规划化出产。
待剖析样品的制备是基因芯片试验流程的一个重要环节, 靶基因在与芯片探针结合杂交之前必需进行别离、扩增及符号。符号办法依据样品来历、芯片类型和研讨意图的不同而有所差异。通常是在待测样品的PCR扩增、反转录或体外转录进程中完成对靶基因的符号。关于检测细胞内mRNA表达水平的芯片，一般需求从细胞和安排中提取RNA，进行反转录，并参加偶联有符号物的dNTP，然后完结对靶基因的符号进程，关于阵列密度较小的芯片可以用同位素，所需仪器均为试验室惯例运用设备，易于展开相关作业，但是在信号检测时，一些杂交信号强的点阵简单发生光晕，搅扰周围信号的剖析。高密度芯片的剖析一般选用荧光素符号靶基因，经过恰当内参的设置及对荧光信号强度的标化可对细胞内mRNA的表达进行定量检测。近年来运用的多色荧光符号技能可更直观地比较不同来历样品的基因表达差异，即把不同来历的靶基因用不同激起波长的荧光素符号，并使它们一起与基因芯片杂交，经过比较芯片上不同波长荧光的分布图取得不同样品间差异表达基因的图谱，常用的双色荧光试剂有Cy3- dNTP和Cy5- dNTP。对多态性和骤变检测型基因芯片选用多色荧光技能可以大大进步芯片的精确性和检测规划，例如用不同的荧光素别离符号靶序列及单碱基失配的参阅序列，使它们一起与芯片杂交，经过不同荧光强弱的比较得出靶序列中碱基失配的信息。
基因芯片与靶基因的杂交进程与一般的分子杂交进程根本相同，杂交反响的条件要依据探针的长度、GC碱基含量及片的类型来优化，如用于基因表达检测，杂交的严厉性较低，而用于骤变检测的芯片的杂交温度高，杂交时刻短，条件相对严厉。如果是用同位素符号靶基因，这以后的信号检测便是放射自显影，若用荧光符号，则需求一套荧光扫描及剖析体系，对相应探针阵列上的荧光强度进行剖析比较，然后得到待测样品的相应信息。因为基因芯片获取的信息量大，关于基因芯片杂交数据的剖析、处理、查询、比较等需求一个规范的数据格式，现在，一个大型的基因芯片的数据库正在构建中，将各试验室取得的基因芯片的成果会集起来，以利于数据的沟通及成果的评价与剖析。
2 基因芯片的运用
基因表达图谱的制造是现在基因芯片运用最广泛的范畴，也是人类基因组工程的重要组成部分，它供给了从全体上剖析细胞表达情况的信息，并且为了解与某些特别生命现象相关的基因表达供给了有力的东西，关于基因调控以及基因相互效果机理的讨论有重要效果。人类基因组编码大约100000个不同的基因，因而，具有监测很多mRNA的试验东西很重要。基因芯片技能可清楚地直接快速地检测出以1∶300000水平呈现的mRNA，且易于一起监测不计其数的基因。现在，已可以在1.6cm2面积上组成和阅览含400000个探针的阵列，可监测10000个基因的表达情况。斯坦福大学的Brown用制备的酵母cDNA芯片，取得酵母在不同细胞周期情况以及在热休克冷休克处理后其2473个基因的表达图谱，较直观地反响了不同条件和情况下基因转录调控水平，然后为寻觅基因调控的机理供给了一条有用的途径。
定量监测很多基因表达水平在论述基因功用、探究疾病原因及机理、发现或许的确诊及医治的靶基因等方面具有重要价值的。Derisi等选用来自恶性肿瘤细胞系UACC903中的1161个cDNA克隆制成芯片，经过比较正常和肿瘤细胞的表达差异，发现在恶性肿瘤细胞中P21基因处于失活或封闭情况，但在反转的细胞系中呈高表达。Golub等运用cDNA 芯片检测基因表达的差异进行癌症的分类，成功区域分出急性髓细胞性白血病（AML）和急性淋巴细胞性白血病（ALL），预期这种办法还能确诊出新的白血病品种。在炎症性疾病类风湿性关节炎(RA)和炎症性肠病(IBD)的基因表达研讨中，可检测出炎症疾病诱导的基因如TNF-α、IL或粒细胞集落影响因子，一起发现一些曾经未发现的基因如HME基因和黑色素瘤成长影响因子。现在，很多呈现的人类ESTs给cDNA微阵列供给了丰厚的序列资源，数据库中ESTs代表了人类基因，因而ESTs微阵列可在缺少其它序列信息的条件下用于基因发现和基因表达检测，然后加速人类基因组功用剖析的进程。
基因芯片的另一重要运用是基因多态位点及基因骤变的检测，现有很多实例说明，基因组多样性的研讨对说明不同人群和个别在疾病的易理性和抵抗性方面表现出的差异具有重要意义，一旦对基因组的编码序列进行体系筛查，就有或许找出与疾病易理性有关的很多基因变异。基因芯片技能可大规划地检测和剖析DNA的变异及多态性。Wang等运用高密度基因芯片对2.3Mb人类基因的SNP 进行筛查，确认了3241个SNPs位点，显示出大规划鉴定人类基因型的或许。Lipshutz等人选用含18,495个寡核苷酸探针的微阵列，对HIV-1基因组反转录酶基因(rt)及蛋白酶基因(pro)的高度多态性进行了挑选，这些变异将导致病毒对多种抗病毒药物包含AZT、ddI、ddC等表现出抗性，因而rt与pro的变异与多态性的检测具有重要的临床意义。跟着很多疾病相关基因的发现，变异与多态性剖析将在疾病的确诊与医治方面体现出越来越重要的价值。Affymetrix公司已将P53 基因的全长序列和已知骤变的序列制成探针集成在芯片上，可对与P53 基因骤变相关的癌症进行前期确诊。Hacia等选用含96600个20聚寡核苷酸高密度阵列对遗传性乳腺和卵巢癌BRCA1基因3.45kb的第11个外显子进行杂合变异挑选，成果精确确诊出15个已知变异的患者样品中的14个，而在20个对照样品中未发现1例假阳性，标明DNA芯片技能在某些疾病相关基因或许的杂合变异的检测方面所具有的灵敏度与特异性是令人满意的。
芯片技能中杂交测序技能（sequencing by hybridization,SBH）是一种新的高效快速测序办法，也是基因芯片的另一重要运用，其原理与芯片检测多态位点相相似，即经过与一组已知序列的核酸探针杂交进行序列测定，用荧光符号的待测序列与基因芯片上对应方位的核酸探针发生互补配对时，经过确认荧光强度最强的探针方位，取得一组序列互补的探针序列，据此可重组出靶核酸的序列。用含65536个8聚寡核苷酸的微阵列，选用SBH技能，可测定200bp长DNA序列选用67108864个13聚寡核苷酸的微阵列，可对数千个碱基长的DNA测序。
3 结束语
基因芯片技能的呈现不过短短几年时刻，其发展势头非常迅猛，在生命科学的各个范畴得到广泛地运用，但其存在的缺点也是适当显着的。首先是本钱的问题，因为芯片制造的工艺杂乱，信号检测也需专门的仪器设备，一般试验室难以承当其昂扬的费用，其次在芯片试验技能上还有多个环节尚待进步，如在探针组成方面，怎么进一步进步组成功率及芯片的集成程度是研讨的焦点。而样品制备的简单化与规范化则芯片运用进一步遍及的条件。尽管芯片技能还存在这样或那样的问题，但其在基因表达谱剖析、基因确诊、药物挑选及序列剖析等许多范畴已呈现出宽广的运用远景，跟着研讨的不断深入和技能的愈加完善基因芯片必定会在生命科学研讨范畴发挥越来越重要的效果。
