基因芯片技術知識概要

生物科學正迅速地演變為一門信息科學。最明顯的一個例子就是目前正在進行的HGP（human genome project），最終要搞清人類全部基因組的30億左右堿基對的序列。除了人的遺傳信息以外，還有其它生物尤其是模式生物（model organism）已經或正在被大規模測序，如大腸桿菌、啤酒酵母、秀麗隱桿線蟲以及中國和日本科學家攻關的水稻基因組計劃。但單純知曉生物基因組序列一級結構還遠遠不夠，還必須了解其中基因是怎樣組織起來的，每個基因的功能是什么，又是怎樣隨發育調控和微環境因素的影響而在特定的時空域中展開其表達譜的，即我們正由結構基因組時代邁入功能基因組時代。隨著這個功能基因組學問題的提出（后基因組時代，蛋白組學），涌現出許多功能強大的研究方法和研究工具，最突出的就是細胞蛋白質二維凝膠電泳（2-D-gel）（及相應的質譜法測蛋白分子量）和生物芯片（Biochip）技術。

一、什么是基因芯片

生物芯片，簡單地說就是在一塊指甲大小（1cm3）的有多聚賴氨酸包被的硅片上或其它固相支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纖維素膜、尼龍膜等，但需經特殊處理。作原位合成的支持物在聚合反應前要先使其表面衍生出羥基或氨基（視所要固定的分子為核酸或寡肽而定）并與保護基建立共價連接；作點樣用的支持物為使其表面帶上正電荷以吸附帶負電荷的探針分子，通常需包被以氨基硅烷或多聚賴氨酸等）將生物分子探針（寡核苷酸片段或基因片段）以大規模陣列的形式排布，形成可與目的分子（如基因）相互作用，交行反應的固相表面，在激光的順序激發下標記熒光根據實際反應情況分別呈現不同的熒光發射譜征，CCD相機或激光共聚焦顯微鏡根據其波長及波幅特征收集信號，作出比較和檢測，從而迅速得出所要的信息。生物芯片包括基因芯片、蛋白質芯片、組織芯片。而基因芯片中，最成功的是DNA芯片，即將無數預先設計好的寡核苷酸或cDNA在芯片上做成點陣，與樣品中同源核酸分子雜交的芯片。

基因芯片的基本原理同芯片技術中雜交測序（sequencing by hybridization，SBH）。即任何線狀的單鏈DNA或RNA序列均可被分解為一個序列固定、錯落而重疊的寡核苷酸，又稱亞序列（subsequence）。例如可把寡核苷酸序列TTAGCTCATATG分解成5個8nt亞序列：
　　(1)　CTCATATG
　　(2)　GCTCATAT
　　(3)　AGCTCATA
　　(4)　TAGCTCAT
　　(5)　TTAGCTCA

這5個亞序列依次錯開一個堿基而重疊7個堿基。亞序列中A、T、C、G4個堿基自由組合而形成的所有可能的序列共有65536種。假如只考慮完全互補的雜交，那么48個8nt亞序列探針中，僅有上述5個能同靶DNA雜交。可以用人工合成的已知序列的所有可能的n體寡核苷酸探針與一個未知的熒光標記DNA/RNA序列雜交，通過對雜交熒光信號檢測，檢出所有能與靶DNA雜交的寡核苷酸，從而推出靶DNA中的所有8nt亞序列，最后由計算機對大量熒光信號的譜型（pattern）數據進行分析，重構靶DNA 的互補寡核苷酸序列。

二、芯片類型

一般基因芯片按其材質和功能，基本可分為以下幾類：

(一)元件型微陣列芯片

1 .生物電子芯片

2 .凝膠元件微陣列芯片

3 .藥物控釋芯片