第一讲基因芯片概述

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1、生物芯片的研究与应用生物芯片的研究与应用 黄燕黄燕 huangyanhuangyan 付旭平付旭平xupingfuxupingfu 教学内容教学内容 n n 基因芯片原理基因芯片原理 n n 一些重点基因芯片类型介绍一些重点基因芯片类型介绍 n n 基因表达谱芯片生物信息学基因表达谱芯片生物信息学 n n 基因芯片表达谱数据分析基因芯片表达谱数据分析 n n 基因芯片在基因芯片在“ “组学组学” ”中的应用中的应用 n n 其他类型的基因芯片和生物芯片的介绍其他类型的基因芯片和生物芯片的介绍 关于考试关于考试 n n 期末考试占期末考试占6060：开卷：开卷 n n 平时成绩占平时成绩占353

2、5：选取文章解读（作业），：选取文章解读（作业）， 课堂讲解课堂讲解 n n 点名计点名计5 5 PLOS BIOLNEW ENGL J MED MOL SYST BIOLNAT REV CANCER TRENDS GENETNAT GENET NUCLEIC ACIDS RESCANCER CELL GENOME BIOLJ CLIN INVEST BIOINFORMATICSEMBO J BMC GENOMICSCANCER RES BMC BIOINFORMATICSONCOGENE SYSTEMATIC BIOLMOL BIOL CELL PLOS COMPUT BIOLAM J HU

3、M GENET 参考书目参考书目 高新技术科普丛书高新技术科普丛书基因芯片技术基因芯片技术解码解码 生命生命，化学工业出版社，化学工业出版社，20042004年年5 5月。月。 基因芯片与功能基因组研究基因芯片与功能基因组研究，化学工业，化学工业 出版社，出版社，20042004年年7 7月。月。 基因芯片数据处理与分析基因芯片数据处理与分析, , 化学工业出版化学工业出版 社社, 2006, 2006年年7 7月月 生物芯片概述生物芯片概述 第一讲第一讲 生物芯片的出现生物芯片的出现 n n 生物芯片的概念来源于计算机芯片生物芯片的概念来源于计算机芯片 n n 微处理芯片是由硅、锗等半导体材

4、料经微电子加工技术制微处理芯片是由硅、锗等半导体材料经微电子加工技术制 作的集成电路设备，将不同功能单元集成在一块微型器件作的集成电路设备，将不同功能单元集成在一块微型器件 上；生物芯片只是一种执行生物检测和分析的微型设备上；生物芯片只是一种执行生物检测和分析的微型设备 n n 从起源和制造工艺来说，生物芯片还是与微处理芯片有一从起源和制造工艺来说，生物芯片还是与微处理芯片有一 定的渊源关系。早期微处理器芯片的制造经历了由大变小定的渊源关系。早期微处理器芯片的制造经历了由大变小 的过程，使微电子工业发生质的飞跃的过程，使微电子工业发生质的飞跃 n n 微处理器芯片这种制造上的微型化启发了生物学

5、家的思路微处理器芯片这种制造上的微型化启发了生物学家的思路 ，使他们产生了用微电子平板印刷技术制造用于生命科学，使他们产生了用微电子平板印刷技术制造用于生命科学 研究和医疗诊断的微型仪器的想法，从而导致了生物芯片研究和医疗诊断的微型仪器的想法，从而导致了生物芯片 的出现的出现 基因芯片是生物芯片的代表 基因芯片发展历史基因芯片发展历史 Southern & Northern Southern & Northern BlotBlot Dot Dot BlotBlot MacroarrayMacroarray MicroarrayMicroarray 基因芯片的标志性事件基因芯片的标志性事件 n

6、n AffymetrixAffymetrix公司在公司在2020世纪世纪8080年代末到九十年年代末到九十年 代初率先开始研究。代初率先开始研究。19911991年，在年，在1cm1cm 2 2 左右的左右的 玻璃片上原位合成寡核苷酸片段，诞生世玻璃片上原位合成寡核苷酸片段，诞生世 界上首张寡核苷酸芯片。界上首张寡核苷酸芯片。 n n 9494年俄罗斯研制出一种基因芯片，用于检测年俄罗斯研制出一种基因芯片，用于检测 - -地中海贫血病人血样的基因突变，筛选了地中海贫血病人血样的基因突变，筛选了 100100多个多个 - -地中海贫血已知的基因突变。地中海贫血已知的基因突变。 n n 9595年

7、，第一块以玻璃为载体的微矩阵年，第一块以玻璃为载体的微矩阵cDNAcDNA 微阵列在斯坦福大学微阵列在斯坦福大学P.O.BrownP.O.Brown实验室诞生实验室诞生 。 生物芯片的概念生物芯片的概念 n n 生物芯片是泛指利用微电子技术和微加工技术在硅，玻璃和生物芯片是泛指利用微电子技术和微加工技术在硅，玻璃和 高分子材料等基底材料上制作的，用以执行生物样品分析，高分子材料等基底材料上制作的，用以执行生物样品分析， 临床诊断，环境监测，卫生检疫，法医鉴定，生化武器防御临床诊断，环境监测，卫生检疫，法医鉴定，生化武器防御 ，新药开发等用途的微型化精密器件。，新药开发等用途的微型化精密器件。

8、n n 生物芯片借用了计算机芯片的集成化的特点，把生物活性大生物芯片借用了计算机芯片的集成化的特点，把生物活性大 分子（目前主要是核酸和蛋白质）或细胞等，密集排列固定分子（目前主要是核酸和蛋白质）或细胞等，密集排列固定 在固相载体上，形成微型的检测器件，固相载体通常是硅片在固相载体上，形成微型的检测器件，固相载体通常是硅片 、玻片、聚丙烯或尼龙膜等，因此狭义的生物芯片也称微阵、玻片、聚丙烯或尼龙膜等，因此狭义的生物芯片也称微阵 列芯片，主要包括列芯片，主要包括cDNAcDNA、寡核苷酸、蛋白质、细胞和组织、寡核苷酸、蛋白质、细胞和组织 微阵列。微阵列。 n n 广义的生物芯片是指能对生物成分或

9、生物分子进行快速并行广义的生物芯片是指能对生物成分或生物分子进行快速并行 处理和分析的厘米见方的固体薄型器件，将微阵列技术与生处理和分析的厘米见方的固体薄型器件，将微阵列技术与生 物微机电技术相结合，通过微加工和微电子技术在固体基片物微机电技术相结合，通过微加工和微电子技术在固体基片 表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质 、DNA DNA 以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测 。 生物芯片的特点生物芯片的特点 n n 在面积不大的基片上有序地点阵排列了一在面积不大的基片上有序

10、地点阵排列了一 系列固定于一定位置、可寻址和识别的生系列固定于一定位置、可寻址和识别的生 物分子物分子 n n 微电子学的并行处理和高密度集成的特点微电子学的并行处理和高密度集成的特点 ，可对生物分子进行快速并行处理，可对生物分子进行快速并行处理 n n 高通量，高信息量、快速、自动化高通量，高信息量、快速、自动化 生物芯片与生物芯片与“ “组学组学” ”研究研究 n n 生物学过程是许多分子相互作用的结果，需要知生物学过程是许多分子相互作用的结果，需要知 道道“ “whole picturewhole picture” ”：组学特征；组学特征；各种组学研究应各种组学研究应 运而生：基因组学，

11、转录组学，蛋白组学，代谢运而生：基因组学，转录组学，蛋白组学，代谢 组学，药物基因组学等等组学，药物基因组学等等 n n 基因组序列的可获得性基因组序列的可获得性 n n 计算机辅助的可能性计算机辅助的可能性 n n 微电子学、物理学、化学、计算机科学与生命科微电子学、物理学、化学、计算机科学与生命科 学交叉综合的高科技技术学交叉综合的高科技技术 生物芯片在组学研究极具优势生物芯片在组学研究极具优势 Source: GenBank There are approximately 85,759,586,764 bases in 82,853,685 sequence records in the

12、 traditional GenBank divisions and 108,635,736,141 bases in 27,439,206 sequence records in the WGS division as of February 2008. GenBank basepair growth g growth of biological databasesrowth of biological databases g growth of biological databasesrowth of biological databases 3D structures growth ht

13、tp:/www.rcsb.org/pdb/holdings.html FERN 160,000,000,000 LUNGFISH 139,000,000,000 SALAMANDER 81,300,000,000 NEWT 20,600,000,000 ONION 8,000,000,000 GORILLA 3,523,200,000 MOUSE 3,454,200,000 HUMAN 3,400,000,000 31,000 Drosophila 137,000,000 13,500 C. Elegans 96,000,000 19,000 Yeast 12,000,000 6,315 E.

14、 Coli 5,000,000 5,361 genes 基因组大小 基因组学（基因组学（genomicsgenomics） n n 基因组学就是发展和应用基因组学就是发展和应用DNADNA制图、测序新技术以制图、测序新技术以 及计算机程序，结合多种生命科学研究手段，全面及计算机程序，结合多种生命科学研究手段，全面 分析生命体基因组结构及功能。分析生命体基因组结构及功能。 n n 基因组学分为两个阶段，即基因组学分为两个阶段，即HGPHGP、功能基因组学。、功能基因组学。 n n HGPHGP：制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终：制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终 完成人类和其他重要模式

15、生物全部基因组完成人类和其他重要模式生物全部基因组DNADNA序列序列 测定测定 n n 功能基因组学：详尽分析序列，描述基因组所有基功能基因组学：详尽分析序列，描述基因组所有基 因的功能，包括研究基因的表达及其调控，如比较因的功能，包括研究基因的表达及其调控，如比较 基因组，药物基因组，基因多态性基因组，环境基基因组，药物基因组，基因多态性基因组，环境基 因组学，蛋白组学等因组学，蛋白组学等 转录组学转录组学(transcriptomics)(transcriptomics) n n 转录组就是指一个细胞内的一套转录组就是指一个细胞内的一套mRNAmRNA转转 录物。与基因组的概念不同，转录

16、组的定录物。与基因组的概念不同，转录组的定 义中包含了时间和空间的限定。同一细胞义中包含了时间和空间的限定。同一细胞 在不同的生长周期，在不同的生长条件下在不同的生长周期，在不同的生长条件下 ，其基因表达情况是不完全相同的。，其基因表达情况是不完全相同的。 n n 生物芯片技术生物芯片技术(DNA(DNA芯片、毛细管电泳芯片芯片、毛细管电泳芯片 、PCRPCR芯片芯片) )不仅可用于不仅可用于DNADNA序列测定，更序列测定，更 适合基因组或成千上万个基因表达分析，适合基因组或成千上万个基因表达分析， 研究特殊阶段、环境、状态下细胞或组织研究特殊阶段、环境、状态下细胞或组织 在转录水平的表达谱。在转录水平的表达谱。 药物基因组学药