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后基因组时代的微阵列生物芯片技术 陆祖宏 (东南大学生物电子学国家重点实验室，南京210096) 生物芯片是近十年来迅速发展起来的一种高通量生物信息检测和分析器件。微阵列 生物芯片是一类发展较早、技术比较成熟、应用面较广的生物芯片，目前主要用于基因 表达谱、基因突变和基因组多态性研究。随着现代生命科学和现代医学的快速发展，生 物芯片的性能将会不断提高，应用范围不断扩大，芯片技术也将不断完善和发展。本报 告将围绕功能基因组研究及生物医学检测的实际需求。结合我们实验室的研究工作，对 于微阵列芯片的研究现状、面临的技术瓶颈以及未来可能的发展方向等进行讨论。 微阵列芯片的制各技术：微阵列生物芯片的制备可以采用逐片逐点固定的制各方法， 也可以采用批量化其他制备技术。点样法的主要问题是成本较高。质量控制比较困难。 因此，发展批量化生物芯片的制各技术是十分重要的。Affymetrix公司寡核苷酸的在片 合成技术，通过一组定位模板来决定基片表面上不同化学单体的偶联位置和次序。目前 已有多种模板技术用于DNA芯片的制各，例如微流体模扳导向合成法，光去保护并行合 成法等。但目前只有美国Affymetrix公司一家建立了DNA芯片在片合成的生产工艺，并 有产品供应市场，其阵列数己达到I，000．000种探针。在片合成技术的研制费用投入大、 芯片加工的灵活性差、工艺复杂。由于目前DNA单步的台成产率还不高，因此，导致合 成探针的长度受到限制(一般在25nt以下)。我们实验室发展了分子印章压印合成法、 超薄切片法、随机排列识别法等高密度微阵列生物芯片制造技术．并且已经显示出很大 的发展前景。 提高芯片的特异性和灵敏度：生物芯片是通过一组探针分子与被检测的靶分子的特异 性识别信号来进行检测，具有高通量检测的能力，在疾病预防和早期诊断方面，提高检 测的特异性和灵敏度一直受到人们的关注。例如DNA芯片的研究重点可归纳为(1)提高 DNA芯片对于单个碱基错配识别的特异性。这对于肿瘤等重大疾病的早期诊断是十分重要 的。对于目前普通使用的荧光标记方法，单碱基错配与正配给出的信号强度差别较小， 从而使分析结果的假阴性或假阳性率较高，不能满足实际应用的要求。(2)提高探针与 靶基因的杂交信号的检测灵敏度。(3)实现对靶基因的定量检测。目前芯片技术在定量 化检测方面尚存在很大的差距。(4)非标记检测。为此，我们实验室发展了一些新型的 !t-：物芯片技术，例如基于分子信标的微阵列芯片、基于固定化TaqMan探针的定量微阵列 芯片，并发展了集PCR杂交检测于一体的管盖芯片。 用于功能基因研究的新概念微阵列生物芯片技术：蛋白质组是继基因组之后在生命 科学领域中的又一个研究热点。我们发展了一种可用于DNA结台蛋白分析的双链DNA (dsDNA探针)芯片，用于DNA结合蛋白高通量检测，研究它们在DNA加工和修复、基 因的表达和调控等各种重要的生命过程中的重要的作用机制：DNA芯片不仅可以用于核 陵序列的分析，还可以对靶基因的各种碱基化学修饰(如DNA甲基化等)位点进行检测。 人类基因组中约4500个CpG岛存在异常甲基化，其中很多CpG位点的异常甲基化与癌 9 症的发生发展密切相关。近年来的研究发现通过检测细胞中相关基因的甲基化水平可以 鉴定肿瘤细胞。我们发展了可用于DNA甲基化高通量检测的生物芯片，对于肿瘤相关的 nucleotide DNA甲基化模式进行了检测：单核苷多态性(single polymorphism，SNP) 是人类基因组中一类十分重要的DNA序列多态型式。可以相信人类个体表型(包括疾病 的易感性)差异是由包括SNP多态性在内的基因型差异决定的。寻找疾病相关的SNP位 点成为人类基因组计划应用的重要途径之一。我们发展了一种PCR产物微阵列技术，该 方法通过把PCR产物固定成为微阵列芯片，把荧光标记的SNP探针与芯片杂交，实现SNP 基因型的高通量筛选。 生命体中信息的阅读、贮存、转录和翻译均是通过溶液中或生物膜上的分子识别和 反应来进行的．生物芯片就是把这些生化反应过程转移到固／液界面上进行。DNA芯片仅 仅实现了在固液界面上核酸杂交过程，并用于核酸序列的分析。因此，我们目前的生物 芯片研究还刚刚开始，预计不久的将来