功能基因组学主要研究技术-生物化学与分子生物学精品课程网站.ppt

Chapter 5 功能基因组学主要研究技术  功能基因组学（functional genomics）是利用结构基因组学提供的信息，以高通量，大规模实验方法及统计与计算机分析为特征，全面系统地分析全部基因的功能。 功能基因组学的研究涉及众多的新技术，包括生物信息学技术、生物芯片技术、转基因和基因敲除技术、酵母双杂交技术、蛋白质组学技术、反义核酸技术等技术。 一、生物芯片的概念 生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器（如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。由于常用玻片/硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术 。 生物芯片 计算机芯片 二、生物芯片技术产生背景 20世纪90年代初开始实施的人类基因组计划（HGP）取得了人们当初意料不到的巨大进展。目前已经测定了10多种微生物以及高等动植物的全基因组序列，海量的基因序列数据正在以前所未有的速度膨胀。 一个现实的科学问题摆到了人们面前： 如何研究如此众多基因在生命过程中所担负的功能？ 如何有效利用如此海量的基因信息揭示人类生老病死的一般规律，并为人类最终战胜各种病魔提供有效武器？ 于是，一项类似于计算机芯片技术的新兴生物高技术—生物芯片技术，随着人类基因组研究的进展应运而生了。 三、生物芯片分类 基因芯片（Genechip)。基因芯片是最重要的一种生物芯片，是指将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过杂交信号的强弱判断靶分子的数量。用该技术可将大量的探针同时固定于支持物上，所以一次可对大量核酸分子进行检测分析，从而解决了传统核酸印迹杂交技术操作复杂、自动化程度低、检测目的分子数量少、效率低等不足。它能在同一时间内分析大量的基因，使人们准确高效地破译遗传密码。 蛋白芯片（Proteinchip）。蛋白质芯片是可以在一个非常小的几何尺度的表面积上，集成多种蛋白质活性分子（配基）。仅用微量的生物（生理）的采样即可以同时检测和研究不同的分子、生物分子之间的相互作用以及基因功能的表达，获得各种条件下蛋白质组的条件变化，从而可以获得生命活动的规律。 芯片实验室（Lab-on-a-chip）。芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。它将样品制备、生化反应以及检测分析的整个过程集约化形成微型分析系统。现在已有由加热器、微泵、微阀、微流量控制器、微电极、电子化学和电子发光探测器等组成的芯片实验室问世，并出现了将生化反应、样品制备、检测和分析等部分集成的生物芯片。例如可以将样品制备和PCR扩增反应同时在一块小小的芯片上完成。 四、基因芯片制作与应用 美国AFFYMETRIX公司的一些产品 1989年的第一张芯片，构建在显微镜镜片上 2002年的全人类基因组芯片，包含33000多个基因位点 Southern Northern Blot Dot Blot Macroarray Microarray 一）基因芯片发展历史 二）基因芯片的特点 高度集约 大通量平行分析 高灵敏度 样品需要量小 技术操作简单 自动化程度高 应用范围广 成本相对较低 微板型 集成电路型 玻片型 三）基因芯片的制备 固相介质：有硅片、二氧化硅、玻璃、尼龙膜、 塑料等。 靶片段：DNA、寡核苷酸、RNA等。 探 针：mRNA， 或是以mRNA为模板合成的cDNA。 标记物：常采用荧光剂，如Cy3、Cy5，同位素、 地高辛等。 示例：原位喷印合成基因芯片 芯片原位喷印合成原理与喷墨打印类似，不过芯片喷印头和墨盒有多个，墨盒中装的是四种碱基等液体而不是碳粉。喷印头可在整个芯片上移动并根据芯片上不同位点探针的序列需要将特定的碱基喷印在芯片上特定位置。 接触式和非接触式直接点样芯片 直接打印时针头与芯片接触 喷印时针头与芯片保持一定距离 四）基因芯片的主要应用 单核苷酸多态性（SNP）的鉴定 基因表达分析 寻找新基因 大规模 DNA 测序 疾病的诊断与治疗 个体化医疗 药物筛选及毒理学研究 1、单核苷酸多态性（SNP）的鉴定 Chee等（Science，1996，274：610～613）应用包含135000种探针（25 mer）的基因芯片，检测了16.6kb的人类线粒体基因组中的SNP位点，从10个样品中，检测出多达505个SNP标志位点。 Science 25 October