DNA芯片技術詳解

　　DNA芯片技術，實際上就是一種大規(guī)模集成的固相雜交，是指在固相支持物上原位合成（insitusynthesis）寡核苷酸或者直接將大量預先制備的DNA探針以顯微打印的方式有序地固化于支持物表面，然后與標記的樣品雜交。通過對雜交信號的檢測分析，得出樣品的遺傳信息（基因序列及表達的信息）。由于常用計算機硅芯片作為固相支持物，所以稱為DNA芯片。根據芯片的制備方式可以將其分為兩大類：原位合成芯片和DNA微集陣列（DNAmicroarray）。

　　DNA芯片簡介

　　DNA芯片技術，實際上就是一種大規(guī)模集成的固相雜交，是指在固相支持物上原位合成（in situ synthesis）寡核苷酸或者直接將大量預先制備的DNA探針以顯微打印的方式有序地固化于支持物表面，然后與標記的樣品雜交。通過對雜交信號的檢測分析，得出樣品的遺傳信息（基因序列及表達的信息）。由于常用計算機硅芯片作為固相支持物，所以稱為DNA芯片。根據芯片的制備方式可以將其分為兩大類：原位合成芯片和DNA微集陣列（DNA microarray）。芯片上固定的探針除了DNA，也可以是cDNA、寡核苷酸或來自基因組的基因片段，且這些探針固化于芯片上形成基因探針陣列DNA芯片技術。因此，DNA芯片又被稱為基因芯片、 cDNA芯片、寡核苷酸陣列等。

　　作為新一代基因診斷技術，DNA芯片的突出特點在于快速、高效、敏感、經濟，平行化、自動化等，與傳統(tǒng)基因診斷技術相比，DNA芯片技術具有明顯的優(yōu)勢：①基因診斷的速度顯著加快，一般可于30 min內完成。若采用控制電場的方式，雜交時間可縮至1 min甚至數秒鐘。②檢測效率高，每次可同時檢測成百上千個基因序列，使檢測過程平行化。③基因診斷的成本降低。④芯片的自動化程度顯著提高，通過顯微加工技術，將核酸樣品的分離、擴增、標記及雜交檢測等過程顯微安排在同一塊芯片內部，構建成縮微芯片實驗室。⑤因為是全封閉，避免了交叉感染；且通過控制分子雜交的嚴謹度，使基因診斷的假陽性率、假陰性率顯著降低。

　　DNA芯片技術在腫瘤基因表達譜差異研究、基因突變、基因測序、基因多態(tài)性分析、微生物篩選鑒定、遺傳病產前診斷等方面應用廣泛。如感染性疾病是由于病原微生物（病毒、細菌、寄生蟲等）侵入機體而引起。已經獲得一些生物的全部基因序列，包括141種病毒，幾種細菌（流感嗜血桿菌、產甲烷球菌、支原體M.genitalium及實驗室常用的大腸桿菌等）和一種真核生物（釀酒酵母），且數量還在增長。因此，將一種或幾種病原微生物的全部或部分特異的保守序列集成在一塊芯片上，可快速、簡便地檢測出病原體，從而對疾病作出診斷及鑒別診斷。用DNA芯片技術可以快速、簡便地搜尋和分析DNA多態(tài)性，極大地推動法醫(yī)生物學的發(fā)展。比如將個體SNPs設計在一塊DNA芯片上，與樣品DNA雜交，即可鑒定基因的差異。人的體型、長相約與500多個基因相關，應用DNA芯片原則上可以揭示人的外貌特征、臉型、長相等，這比一般意義的DNA指紋譜又進了一步。 應用DNA芯片還可以在胚胎早期對胎兒進行遺傳病相關基因的監(jiān)測及產前診斷，為人口優(yōu)生提供有力保證；而且可以全面監(jiān)測200多個與環(huán)境影響相關的基因，這對生態(tài)、環(huán)境控制及人口健康有著重要意義。

　　DNA芯片技術

　　DNA芯片技術主要包括四個主要步驟：芯片制備、樣品制備、雜交反應和信號檢測和結果分析。

　　1、芯片制備-制備芯片主要以玻璃片或硅片為載體，采用原位合成和微矩陣的方法將寡核苷酸片段或cDNA作為探針按順序排列在載體上。芯片的制備除了用到微加工工藝外，還需要使用機器人技術。以便能快速、準確地將探針放置到芯片上的指定位置。

　　2、樣品制備-生物樣品往往是復雜的生物分子混合體，除少數特殊樣品外，一般不能直接與芯片反應，有時樣品的量很小。所以，必須將樣品進行提取、擴增，獲取其中的蛋白質或DNA、RNA，然后用熒光標記，以提高檢測的靈敏度和使用者的安全性。

　　3、雜交反應-雜交反應是熒光標記的樣品與芯片上的探針進行的反應產生一系列信息的過程。選擇合適的反應條件能使生物分子間反應處于最佳狀況中，減少生物分子之間的錯配率。

　　4、信號檢測和結果分析-雜交反應后的芯片上各個反應點的熒光位置、熒光強弱經過芯片掃描儀和相關軟件可以分析圖像，將熒光轉換成數據，即可以獲得有關生物信息。基因芯片技術發(fā)展的最終目標是將從樣品制備、雜交反應到信號檢測的整個分析過程集成化以獲得微型全分析系統(tǒng)（micrototalanalyticalsystem）或稱縮微芯片實驗室（laboratoryonachip）。使用縮微芯片實驗室，就可以在一個封閉的系統(tǒng)內以很短的時間完成從原始樣品到獲取所需分析結果的全套操作。

　　應用

　　基因芯片技術應用領域主要有基因表達譜分析、新基因發(fā)現、基因突變及多態(tài)性分析、基因組文庫作圖、疾病診斷和預測、藥物篩選、基因測序等。另外基因芯片在農業(yè)、食品監(jiān)督、環(huán)境保護、司法鑒定等方面都將作出重大貢獻?；蛐酒娘w速發(fā)展引起世界各國的廣泛關注和重視。 鑒于基因芯片的巨大潛力和誘人的前景，基因芯片已成為各國學術界和工業(yè)界研究和開發(fā)的熱點。尤其在美國，正處于人類基因組計劃以來的第二次浪潮之中，美國總統(tǒng)克林頓在1998年1月的國情咨文中指出：“在未來的12年內，基因芯片將為我們一生的疾病預防指點迷津”。1998年6月29日美國宣布正式啟動基因芯片計劃，聯(lián)合私人投資機構投入了20億美元以上的研究經費。

　　世界各國也開始加大投入，以基因芯片為核心的相關產業(yè)正在全球崛起，美國已有8家生物芯片公司股票上市，平均每年股票上漲75%，專家今統(tǒng)計：全球生物芯片工業(yè)產值為10億美元左右，預計今后5年之內，生物芯片的市場銷售可達到200億美元以上。美國財富雜志載文：在20世紀科技史上有兩件事影響深遠，一是微電子芯片，它是計算機和許多家電的心臟，它改變了我們的經濟和文化生活，并已進入每一個家庭；另一件事就是生物芯片它將改變生命科學的研究方式，革新醫(yī)學診斷和治療，極大地提高人口素質和健康水平。

　　鑒于生物芯片技術具有巨大理論意義和實際價值，基因芯片研究在國內也有了很快的發(fā)展，例如，復旦大學、中科院上海冶金所、清華大學、聯(lián)合基因有限公司、軍事醫(yī)學科學院、中科院上海細胞所等單位已在生物芯片技術方面取得了較大突破，相信不久將有我國生產的生物芯片產品投放市場。

　　總之，以基因芯片為代表的生物芯片技術的深入研究和廣泛應用，將對21世紀人類生活和健康產生極其深遠的影響。