生物芯片的应用
丁香园
1198
美国科学促进会将基因芯片技术列为 1998 年度自然科学领域十大进展之一，足见其在科学史上的意义。现在，基因芯片这一时代的宠儿已被应用到生物科学众多的领域之中。它以其可同时、快速、准确地分析数以千计基因组信息的本领而显示出了巨大的威力。目前在文献上可查到的生物芯片的应用有基因表达谱、HLA分型、SNP分析、丙型肝炎分型、物种鉴定、DNA测序、连锁不平衡作图、HIV-1诊断、BRCA1突变分析、炎症分析、线粒体基因组分析、囊性纤维检测、地中海贫血症突变检测、寡核苷酸间相互作用研究，等等。在基因表达检测的研究上人们已比较成功地对多种生物包括拟南芥、酵母及人的基因组表达情况进行了研究，并且用该技术（共 157,112 个探针分子）一次性检测了酵母几种不同株间数千个基因表达谱的差异。实践证明基因芯片技术也可用于核酸突变的检测及基因组多态性的分析，例如对人 BRCA Ⅰ基因外显子 11、 CFTR 基因、β-地中海贫血、酵母突变菌株间、HIV-1 逆转录酶及蛋白酶基因（与 Sanger 测序结果一致性达到 98%）等的突变检测，对人类基因组单核苷酸多态性的鉴定、作图和分型，人线粒体 16.6kb 基因组多态性的研究等。将生物传感器与芯片技术相结合，通过改变探针阵列区域的电场强度已经证明可以检测到基因（ ras 等）的单碱基突变。此外，有人还曾通过确定重叠克隆的次序从而对酵母基因组进行作图。由最新报道可以发现运用生物芯片分析SNP的研究开展得如火如荼，一方面可以用芯片大规模筛选新的SNP，更重要的是药物遗传SNP的研究有助于新药的开发，还可以针对不同基因型的个体采取不同的治疗方法和用药，以获得最佳疗效。
基因表达谱研究
基因表达方式的探测是研究特定组织特定状态在基因组水平基因差异表达功能的最有效方法．有关基因芯片的第一篇文章就是描述在此方面的应用。其实结果是表达基因组在发育或病理活动中动态功能信息的。因此理论上，有10000个基因的人类基因组可在一张芯片上、一次杂交反应中观察到其在目的细胞的实际表达状态，包括表达与否，表达丰度，而且两种相关细胞的实验可在同一张片子上同时做出来，便于最小实验误差情况下比较二者细微差异（双色荧光检测）。这样将具体的分子信息与细胞的生理特征改变联系起来，极有可能以前所未有的速度提示生命活动过程的精细机制，并成批地进行功能克隆新基因或将“孤儿基因”与确定的生物学功能联系起来；另一方面为临床诊断、预后评价提供全新的标准模式，为新药设计提示的靶分子而且提供快速廉价的分析手段。尽管表达谱芯片在实际应用上存在操作繁复等明显不足，但在基因组水平并行分析基因表达上有着不可替代的一面。在肿瘤基因组学研究方面基因表达谱芯片正发挥着越来越大的作用，它被广泛应用于检测肿瘤组织和正常组织基因表达在mRNA水平的差异，不仅为研究癌症发生机制提供强有力工具，也为癌症的临床诊断和治疗提供更新的参考依据。此外，表达谱芯片如果和其它高通量筛选技术结合起来，如噬菌体展示肽库技术，必将在药物筛选开发以及后基因组研究中发挥更为有效的作用。
应用于定位克隆
生物芯片如同一个高度集成高度有序的分子库。简单快捷的操作将大大方便新基因的寻找，作为第三代遗传标记系统的单核苷酸多态生（single nucleotide polymorphysms,SNPs）标记的应用结合连锁分析将使这种能力充分发挥出来。
杂交测序和基因组文库作图
杂交测序是基因芯片技术的另一重要应用。该测序技术理论上不失为一种高效可行的测序方法，但需通过大量重叠序列探针与目的分子的杂交方可推导出目的核酸分子的序列，所以需要制作大量的探针。基因芯片技术可以比较容易地合成并固定大量核酸分子，所以它的问世无疑为杂交测序提供了实施的可能性，这已为实践所证实．这项技术显示了以高度并行方式进行克隆作图进行大规模测序的乐观前景。比如从20个啤酒酵母的基因组克隆里制备Cosmid DNA，用限制性内切酶Ear I切割，PCR扩增，荧光标记变性产生单链DNA，与256点的芯片杂交，将荧光强度标准化，相临克隆对的相关值由统计分析确定，最后根据模拟退火过程中相关分数，将10个产生最强信号的克隆连续依次排列。估计一个操作者一天能完成几百个克隆的作图。
检测基因突变和多态性
这需要控制严格杂交条件。Haria用含96000簇寡核苷酸探针的GeneChip检测了BRCA1基因3.45kb的第11外显子所有可能的杂合子突变。在15个病例样品结果中，一个假阳性和8个单碱基多态性被发现。这样的话，有5592个碱基、22个外显子的BRCA1基因所有突变可由一张密度达到400000探针的芯片检测出来。Schoemaker用此技术显示了20bp的标签的应用性，每一个标签唯一地对应一种突变体，同时检测啤酒酵母在各种生长条件下的突变株。比如，腺嘌呤缺乏情况下，腺嘌呤突变株生长就缓慢，信号相应就弱。HIV-I逆转录酶、蛋白酶多变，引起病毒对AZT等药物的抗性。Lipshutz显示了用GenChip筛查这些突变的强大功能，其结果再与Sanger测度结果核对，两种方法的一致率达到98%，大量的多态性被发现。同样，纤维囊变中跨膜转导调节蛋白（CFTR）的突变也用Affymetrix的GenChip 做了研究，根据已知的10、11外显子的缺失插入和碱基替换情况设计芯片，结果由PCR产物的限制性片段分析完美地证实。Chee还设计了含135000簇25mer寡核苷酸的芯片探测16.6kb的线粒体DNA（mtDNA)突变情况，10个人中发现了505种多样性，每个样品10min即可读出结果，而现代凝胶电泳测序一天只能读两个mtDNA，且不说成本代价。
现在国外还有一些非常新的理念产生，如Nanogen公司提出的芯片自我定制“Make your own chip”，让用户自己设计想要的生物芯片，就象自己可以组装电脑一样，生物芯片不再高深莫测；再有就是MOTOROLA公司的便携式无线生物芯片装置，可随时随地对自己身体状况进行芯片分析，获得的数据通过无线电发送到专家诊疗系统判定，最终得到全面及时的健康护理。
鉴于基因芯片的巨大潜力和诱人的前景，基因芯片已成为各国学术界和工业界研究和开发的热点。尤其在美国，正处于人类基因组计划以来的第二次浪潮之中，美国总统克林顿在1998年1月的国情咨文中指出："在未来的12年内，基因芯片将为我们一生的疾病预防指点迷津"。1998年6月29日美国宣布正式启动基因芯片计划，联合私人投资机构投入了20亿美元以上的研究经费。世界各国也开始加大投入，以基因芯片为核心的相关产业正在全球崛起，目前美国上市的生物芯片公司，平均每年股票上涨75％，专家预计在2005年前全球生物芯片的市场销售就可达到200亿美元以上。美国财富杂志载文：在20世纪科技史上有两件事影响深远，一是微电子芯片，它是计算机和许多家电的心脏，它改变了我们的经济和文化生活，并已进入每一个家庭；另一件事就是生物芯片它将改变生命科学的研究方式，革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。鉴于生物芯片技术具有巨大理论意义和实际价值，基因芯片研究在国内也有了很快的发展，例如，复旦大学、中科院上海冶金所、清华大学、联合基因有限公司、军事医学科学院、中科院上海细胞所等单位已在生物芯片技术方面取得了较大突破。总之，以基因芯片为代表的生物芯片技术的深入研究和广泛应用，将对21世纪人类生活和健康产生极其深远的影响。
基因表达谱研究
基因表达方式的探测是研究特定组织特定状态在基因组水平基因差异表达功能的最有效方法．有关基因芯片的第一篇文章就是描述在此方面的应用。其实结果是表达基因组在发育或病理活动中动态功能信息的。因此理论上，有10000个基因的人类基因组可在一张芯片上、一次杂交反应中观察到其在目的细胞的实际表达状态，包括表达与否，表达丰度，而且两种相关细胞的实验可在同一张片子上同时做出来，便于最小实验误差情况下比较二者细微差异（双色荧光检测）。这样将具体的分子信息与细胞的生理特征改变联系起来，极有可能以前所未有的速度提示生命活动过程的精细机制，并成批地进行功能克隆新基因或将“孤儿基因”与确定的生物学功能联系起来；另一方面为临床诊断、预后评价提供全新的标准模式，为新药设计提示的靶分子而且提供快速廉价的分析手段。尽管表达谱芯片在实际应用上存在操作繁复等明显不足，但在基因组水平并行分析基因表达上有着不可替代的一面。在肿瘤基因组学研究方面基因表达谱芯片正发挥着越来越大的作用，它被广泛应用于检测肿瘤组织和正常组织基因表达在mRNA水平的差异，不仅为研究癌症发生机制提供强有力工具，也为癌症的临床诊断和治疗提供更新的参考依据。此外，表达谱芯片如果和其它高通量筛选技术结合起来，如噬菌体展示肽库技术，必将在药物筛选开发以及后基因组研究中发挥更为有效的作用。
应用于定位克隆
生物芯片如同一个高度集成高度有序的分子库。简单快捷的操作将大大方便新基因的寻找，作为第三代遗传标记系统的单核苷酸多态生（single nucleotide polymorphysms,SNPs）标记的应用结合连锁分析将使这种能力充分发挥出来。
杂交测序和基因组文库作图
杂交测序是基因芯片技术的另一重要应用。该测序技术理论上不失为一种高效可行的测序方法，但需通过大量重叠序列探针与目的分子的杂交方可推导出目的核酸分子的序列，所以需要制作大量的探针。基因芯片技术可以比较容易地合成并固定大量核酸分子，所以它的问世无疑为杂交测序提供了实施的可能性，这已为实践所证实．这项技术显示了以高度并行方式进行克隆作图进行大规模测序的乐观前景。比如从20个啤酒酵母的基因组克隆里制备Cosmid DNA，用限制性内切酶Ear I切割，PCR扩增，荧光标记变性产生单链DNA，与256点的芯片杂交，将荧光强度标准化，相临克隆对的相关值由统计分析确定，最后根据模拟退火过程中相关分数，将10个产生最强信号的克隆连续依次排列。估计一个操作者一天能完成几百个克隆的作图。
检测基因突变和多态性
这需要控制严格杂交条件。Haria用含96000簇寡核苷酸探针的GeneChip检测了BRCA1基因3.45kb的第11外显子所有可能的杂合子突变。在15个病例样品结果中，一个假阳性和8个单碱基多态性被发现。这样的话，有5592个碱基、22个外显子的BRCA1基因所有突变可由一张密度达到400000探针的芯片检测出来。Schoemaker用此技术显示了20bp的标签的应用性，每一个标签唯一地对应一种突变体，同时检测啤酒酵母在各种生长条件下的突变株。比如，腺嘌呤缺乏情况下，腺嘌呤突变株生长就缓慢，信号相应就弱。HIV-I逆转录酶、蛋白酶多变，引起病毒对AZT等药物的抗性。Lipshutz显示了用GenChip筛查这些突变的强大功能，其结果再与Sanger测度结果核对，两种方法的一致率达到98%，大量的多态性被发现。同样，纤维囊变中跨膜转导调节蛋白（CFTR）的突变也用Affymetrix的GenChip 做了研究，根据已知的10、11外显子的缺失插入和碱基替换情况设计芯片，结果由PCR产物的限制性片段分析完美地证实。Chee还设计了含135000簇25mer寡核苷酸的芯片探测16.6kb的线粒体DNA（mtDNA)突变情况，10个人中发现了505种多样性，每个样品10min即可读出结果，而现代凝胶电泳测序一天只能读两个mtDNA，且不说成本代价。
现在国外还有一些非常新的理念产生，如Nanogen公司提出的芯片自我定制“Make your own chip”，让用户自己设计想要的生物芯片，就象自己可以组装电脑一样，生物芯片不再高深莫测；再有就是MOTOROLA公司的便携式无线生物芯片装置，可随时随地对自己身体状况进行芯片分析，获得的数据通过无线电发送到专家诊疗系统判定，最终得到全面及时的健康护理。
鉴于基因芯片的巨大潜力和诱人的前景，基因芯片已成为各国学术界和工业界研究和开发的热点。尤其在美国，正处于人类基因组计划以来的第二次浪潮之中，美国总统克林顿在1998年1月的国情咨文中指出："在未来的12年内，基因芯片将为我们一生的疾病预防指点迷津"。1998年6月29日美国宣布正式启动基因芯片计划，联合私人投资机构投入了20亿美元以上的研究经费。世界各国也开始加大投入，以基因芯片为核心的相关产业正在全球崛起，目前美国上市的生物芯片公司，平均每年股票上涨75％，专家预计在2005年前全球生物芯片的市场销售就可达到200亿美元以上。美国财富杂志载文：在20世纪科技史上有两件事影响深远，一是微电子芯片，它是计算机和许多家电的心脏，它改变了我们的经济和文化生活，并已进入每一个家庭；另一件事就是生物芯片它将改变生命科学的研究方式，革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。鉴于生物芯片技术具有巨大理论意义和实际价值，基因芯片研究在国内也有了很快的发展，例如，复旦大学、中科院上海冶金所、清华大学、联合基因有限公司、军事医学科学院、中科院上海细胞所等单位已在生物芯片技术方面取得了较大突破。总之，以基因芯片为代表的生物芯片技术的深入研究和广泛应用，将对21世纪人类生活和健康产生极其深远的影响。
