生物谷張發寶博士:基因晶片技術概要

2020-12-05 生物谷

作者：生物谷Bioon.com 張發寶 博士

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30億左右鹼基對的序列。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、秀麗隱杆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麼，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（後基因組時代，蛋白組學）[1]，湧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）和生物晶片（Biochip）技術[2]。

一． 什麼是基因晶片

生物晶片，簡單地說就是在一塊指甲大小（1cm3）的有多聚賴氨酸包被的矽片上或其它固相支持物（如玻璃片、矽片、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）並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，通常需包被以氨基矽烷或多聚賴氨酸等）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，在雷射的順序激發下標記螢光根據實際反應情況分別呈現不同的螢光發射譜徵，CCD相機或雷射共聚焦顯微鏡根據其波長及波幅特徵收集信號，作出比較和檢測，從而迅速得出所要的信息。生物晶片包括基因晶片、蛋白質晶片、組織晶片。而基因晶片中，最成功的是DNA晶片，即將無數預先設計好的寡核苷酸或cDNA在晶片上做成點陣，與樣品中同源核酸分子雜交[3]的晶片。

基因晶片的基本原理同晶片技術中雜交測序（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8 nt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鹼基而重疊7個鹼基。亞序列中A、T、C、G 4個鹼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，那麼48個8 nt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螢光標記DNA/RNA序列雜交，通過對雜交螢光信號檢測，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8 nt亞序列，最後由計算機對大量螢光信號的譜型（pattern）數據進行分析，重構靶DNA 的互補寡核苷酸序列。

二．晶片類型

一般基因晶片按其材質和功能，基本可分為以下幾類[4]

(一)元件型微陣列晶片

1生物電子晶片

2凝膠元件微陣列晶片

3藥物控釋晶片

(二) 通道型微陣列晶片

1毛細管電泳晶片

2 PCR擴增晶片

3集成DNA分析晶片

4毛細管電層析晶片

(三)生物傳感晶片

1光學纖維陣列晶片

2白光幹涉譜傳感晶片

小鼠基因表達譜晶片(MGEC)

附:目前國內基因晶片常見品種.(上海博星公司)

晶片品種

晶片點數

MGEC-20S

2000

MGEC-40S

4000

MGEC-80S

8000

癌症相關基因表達譜晶片(CRGEC)
 

分類

晶片型號

晶片點數

肝癌相關基因表達譜晶片

LiverC-16S

1626

LiverC-16D

3252

LiverC-9.5NS

954

LiverC-9.5ND

1908

肺癌相關基因表達譜晶片

LungC-7.3S

737

LungC-7.3D

1474

人類基因表達譜晶片(HGEC)
 

晶片品種

晶片點數

HGEC-10S

1024

HGEC-10D

2048

HGEC-20S

2048

HGEC-20D

4096

HGEC-40S

4096

HGEC-40D

8192

HGEC-80S

8192

HGEC-80D

16184

更多詳情請見：http://www.bioon.com/biology/bioenginering/78813.shtml

（作者：生物谷Bioon.com 張發寶 博士 2004年9月）

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