基因芯片技術在生物研究中的作用范文

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《江蘇農業科學雜志》2014年第五期

1基因芯片制備

基因芯片的制備方法有2種:一種是原位合成法，是指將數量眾多的電極固定在固相支持物上，電極上具有生物親和性的多孔空間，用于合成DN段所需的4種單核苷酸可以進入電極上的多孔空間，在電極上合成DN段，原位合成法又可分為光導原位合成法與原位噴印合成法;另一種是直接點樣法，是指將人工合成的寡核苷酸片段直接點在固相支持物上。原位合成法一般用于制備基因芯片，直接點樣法既可以用于制備基因芯片也可以用于制備蛋白質芯片。

1．1光導原位合成法光導原位合成法是由美國昂飛公司研發的，利用光敏保護基將堿基單體的5''''端羥基保護起來，之后固相支持物上的光敏保護基與1個核苷酸單體連接，如此循環直到合成完成。光導原位合成法制備探針之間的距離為5～10μm，1cm2可以容納106個探針，這種方法的優點是步驟簡單、合成速度快且合成探針量大，缺點是合成的探針長度不是很長。

1．2原位噴印合成法噴印合成法原理與傳統的DNA固相合成原理一致，形式類似于噴墨打印，有多個噴印頭及墨盒，墨盒里面裝有4種堿基的液體。噴印頭可以在整個載體上任意移動，根據載體上不同位點探針的序列要求將特定的堿基噴印在特定的位置。

1．3直接點樣法目前很多公司都是使用直接點樣法生產基因芯片，這種方法可以根據使用者的要求生產出符合目的的相應芯片。直接點樣是將合成好的探針、cDNA、基因組DN段通過人工或高速點樣器直接點在固相支持物上。根據點樣方式不同可將直接點樣法分為接觸點樣、非接觸點樣。對于直接點樣法來說，點樣器的好壞直接決定了基因芯片的探針密度及結合強度，點樣裝置質量的衡量指標有點樣速度、點樣穩定性、點樣密度等。

2基因芯片在生物研究中的應用

2．1基因表達分析通過基因芯片檢測生物不同發育階段或病原體不同致病階段的基因表達情況，可以研究基因的功能及病原的致病機理。Girke等運用基因芯片對擬南芥種子發育過程進行了研究，發現通過基因芯片篩選到的擬南芥2600個基因中，有25%的基因在種子中的表達量是葉子及根的2倍。沙門氏菌對家禽危害很大，可以引起家禽沙門氏菌病。Luan等制備了包含有13319個探針的雞基因芯片，在2周齡小雞感染沙門氏病菌前后，檢測到了588個差異表達基因，其中276個是已知功能基因，并且通過實時熒光定量PCR鑒定驗證了4個基因。Zhou等制備了水稻基因組表達芯片，經過低能N+光束處理后，每30個與組蛋白相關的基因中有1個基因表達上調，每38個溴結構域蛋白基因中有1個基因表達上調，1個基因表達下調。Revel等運用基因芯片對萊姆病原菌在不同培養條件下基因表達情況進行了研究，發現把萊姆病原菌放在新環境下培養時，其基因表達情況會在很短的時間內發生瞬變，并與新環境在很大程度上緩和，以適應新環境，一旦適應了新環境，萊姆病菌的基因表達情況趨于穩定不變。病原微生物可以通過自身基因表達變化很快適應新環境，這也是病原菌能快速產生抗藥性的重要原因之一。

2．2DNA測序DNA測序是指測定DNA分子中的核苷酸排列順序?；蛐酒?a href="http://www.ruiyinglinkage.com/kejizazhi/jiangsunongyekexue/647198.html" target="_blank">技術早期應用于基因結構及序列分析。利用基因芯片進行DNA測序過程如下:將包含已知核酸探針的DNA芯片與待測的DNA樣品進行分子雜交，在DNA芯片表面可檢測到熒光信號，通過分析形成的圖譜獲知樣品序列。對已知序列進行重測序是DNA芯片的主要應用之一，重測序指的是某種群或物種完成基因組測序后，對個體或群體的差異性分析，需要進行再測序。由于序列已知，利用基因芯片技術開展重測序的效率大為提高。DNA芯片測序具有快速、高效等優點，應用前景廣闊，主要測序方法有SBH技術(sequen-cingbyhybridization)、CSH技術(con－tigousstackinghybrid-ization)。CSH技術測序的長度大于SBH測序的長度。目前基因表達譜芯片技術在檢測健康組織以及病害組織基因表達差異上得到了廣泛應用，為揭示病害的發生機制以及尋找快速診斷防治方法提供了依據。在測定植物與病原物基因組突變等方面，基因芯片是強有力的工具。參照已知基因序列，在載體上合成大量寡核苷酸探針，與待測樣品進行雜交，兩者匹配程度越高，雜交信號越強?；蛐酒夹g測序的準確率較高，國外學者利用包含大量探針的微列陣對人類線粒體基因組的序列進行測定，準確率達99%。Hacia等用近5萬個核苷酸陣列對人、黑猩猩基因序列進行測定，結果表明，二者同源性高，即進化相似性強。

2．3發現新基因基因芯片技術為發現新基因提供了思路，基因組序列的發展為后基因組研究分析未知功能基因提供了參考。傳統的分子生物學方法具有無法明確解釋生物生理過程中多基因之間的相互作用、序列信息不全、特異性不高等缺點。基因芯片技術克服了傳統方法的不足，能獲得大量基因表達模式，分析其調控過程，并且從數以萬計的基因中尋找出差異表達基因。利用基因芯片技術發現新基因在醫學上有極其重要的意義，尤其是致癌基因的發現。Yao等采用基因芯片技術，設計了乳腺癌比較基因組雜交陣列，分析了與擴增區域有關的每個基因表達水平，發現2個致癌新基因，分別為H2AFJ、EPS8。Wang等利用基因芯片篩選腫瘤細胞中耐藥性相關基因，通過對差異表達基因進行分析鑒定，發現了2個耐藥新基因，分別為c－Yes、c－Flip。Heller等利用基因芯片研究了腸炎、類風濕關節炎(炎癥性)組織基因表達差異性，還發現了與炎癥有關的基因IL－3、Gro－A等。利用基因芯片技術，Misson等研究了擬南芥植物缺磷條件下的基因表達譜變化，發現了對磷缺乏起誘導、抑制作用的新基因，這為植物養分管理開拓了新的研究思路。Madsen等研究了溫度對肺炎球菌基因表達差異的影響，用基因芯片技術設計微列陣，分析其差異表達基因，發現了91個未知功能新基因。研究人員利用基因芯片技術，篩選微生物誘導后的成年果蠅差異表達基因，發現數百個未知功能的新基因。目前，松材線蟲已擴散到我國南方多個省區，威脅我國許多重要旅游地區的生態安全，被認為是一種毀滅性傳染病害。目前松材線蟲全基因組測序已經完成，利用基因芯片處理產生的海量數據，研究松材線蟲致病基因，對松材線蟲防治具有重要意義。

2．4病原檢測DNA芯片技術作為一種強有力的檢測工具，在臨床診斷、環境檢測、食品安全檢測等領域得到了廣泛運用。楊朋欣等通過弓形蟲、旋毛蟲的特異序列設計出特異性探針，建立了弓形蟲、旋毛蟲的液相基因芯片檢測方法。周鈞等利用日本血吸蟲基因芯片對江西省、湖南省的釘螺進行檢測，結果顯示，江西省、湖南省感染性釘螺檢出率為100%。張錦海等根據瘧原蟲高度保守的基因片段制備了瘧原蟲診斷、分型基因芯片，能快速診斷出瘧原蟲及其分型，對瘧疾的防治具有重要意義。Tares等用同源DNA分別開發了松材線蟲特異性探針，可以將特異性探針固定到固相載體(如硅片、玻璃、塑料、尼龍膜等)上制成基因芯片，用于快速、精確檢測松材線蟲。

2．5繪制圖譜采用基因芯片探針陣列與相應的生物信息方法可以進行基因文庫作圖。張新建等用基因芯片技術研究了水稻白葉枯病菌的侵染過程，并分析其基因表達譜，發現侵染過程中有5個基因發生了明顯變化。趙寶存等采用基因芯片技術獲得小麥基因的差異表達圖譜，并分析了在不同鹽脅迫時間下小麥根部基因表達的變化，包括鹽誘導、鹽抑制表達基因。

3展望

基因芯片技術具有快速、高效、高通量等優點，已被廣泛應用于醫療、農林、畜牧、食品以及環境檢測等諸多領域。但基因芯片技術仍然存在一些不足，主要表現在技術與設備方面?；蛐酒夹g在DNA測序、基因表達分析、發現新基因、繪制圖譜及病原檢測等方面有巨大的應用價值。

作者：邱秀文 吳小芹黃麟葉建仁單位：南京林業大學森林資源與環境學院/江蘇省有害生物入侵預防與控制重點實驗室