基因芯片技术及其应用

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1、基因芯片技术及其应用基因芯片技术及其应用DNA Microarray Technology and its Application南方医科大学基因工程研究所南方医科大学基因工程研究所南方医科大学基因工程研究所南方医科大学基因工程研究所 所长所长所长所长教授、博士生导师教授、博士生导师教授、博士生导师教授、博士生导师马文丽马文丽马文丽马文丽 博士博士博士博士n n一、背景介绍一、背景介绍n n二、应用领域二、应用领域n n三、前景展望三、前景展望 一、背景介绍1 1、基因芯片概念、基因芯片概念基因芯片电子芯片集成电子线路集成分子线路 2 2、基因芯片技术发展概况、基因芯片技术发展概况 基因芯片技

2、术的研制开发起始于上世纪九十年代初，美国国家自然基因芯片技术的研制开发起始于上世纪九十年代初，美国国家自然科学基金首先资助了两个科学基金首先资助了两个DNADNA芯片的制作方案。芯片的制作方案。光源遮蔽板芯片打印式基因芯片打印式基因芯片 原位光刻基因芯片原位光刻基因芯片一、背景介绍第一种方案是斯坦第一种方案是斯坦福大学的福大学的P. BrownP. Brown实验实验室提出的点阵打印式基室提出的点阵打印式基因芯片，将因芯片，将DNADNA合成出合成出来，然后制成点样液并来，然后制成点样液并显微点印在平方厘米的显微点印在平方厘米的固体介质表面。固体介质表面。 2 2、基因芯片技术发展概况、基因芯

3、片技术发展概况一、背景介绍 第二种方案是美国第二种方案是美国AffymetrixAffymetrix公司研制出公司研制出来的。来的。其原理与计算其原理与计算机芯片类似，即采用机芯片类似，即采用激光引导的原位光刻激光引导的原位光刻技术，使技术，使DNADNA片段的序片段的序列在原位合成延伸。列在原位合成延伸。 2 2、基因芯片技术发展概况、基因芯片技术发展概况一、背景介绍l l 微型化、集成化微型化、集成化l l 高通量、平行化高通量、平行化l l 同时检测多个基因的改变同时检测多个基因的改变 2、基因芯片技术发展概况一、背景介绍飞速发展 平均每年增长94%平均每年增长57%2000多家如Pac

4、ker Motorola 发表论文专利申请参与公司 2 2、基因芯片技术发展概况、基因芯片技术发展概况一、背景介绍2020世纪科技史上两件影响深远的事：世纪科技史上两件影响深远的事：n n一是微电子芯片，计算机和许多家电的心一是微电子芯片，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，并脏，它改变了我们的经济和文化生活，并已进入每一个家庭；已进入每一个家庭；n n二是基因芯片，它将改变生命科学的研究二是基因芯片，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。人口素质和健康水平。 2 2、基因芯片技术发展概况、基因芯片技

5、术发展概况一、背景介绍二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域科学研究临床疾病诊断环境检测药物研究开发法医学鉴定动植物检疫食品检测军事应用健康管理运动医学1 1、基因芯片在科学研究中的应用、基因芯片在科学研究中的应用19941994年年2011.92011.9年年二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域microarray OR gene chip 79632篇近近近近7(2011.97(2011.97(2011.97(2011.9前前前前) ) ) )年来公开发表的与基因芯片相关的学术论文年来公开发表的与基因芯片相关的学术论文年来公开发表的与基因芯片相关的学术论文年来公开发表的与基因

6、芯片相关的学术论文（1 1）SNP SNP （Single Nucleotide Single Nucleotide Polymorphism)Polymorphism)芯片的应用芯片的应用: : 即单核苷酸多态性芯片，指基即单核苷酸多态性芯片，指基因组中微小的基因序列差异。因组中微小的基因序列差异。uu研究基因多态性与疾病易感性研究基因多态性与疾病易感性的关系的关系uu识别特殊识别特殊SNPSNP谱图谱图1 1、基因芯片在科学研究中的应用、基因芯片在科学研究中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域（2 2）mCGHmCGH的应用：的应用：CGH(comparativeCGH(co

7、mparative genome genome hybridizationhybridization）即比较基因组杂）即比较基因组杂交。即比较基因组杂交与交。即比较基因组杂交与DNADNA芯片技术结合形成芯片技术结合形成mCGHmCGH技术，技术，可高通量地比对基因组的结构和可高通量地比对基因组的结构和组成，在肿瘤、新药研究、药物组成，在肿瘤、新药研究、药物敏感性以及新疗法的开拓中已开敏感性以及新疗法的开拓中已开始发挥着重要的作用。始发挥着重要的作用。1 1、基因芯片在科学研究中的应用、基因芯片在科学研究中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域（3 3）基因表达）基因表达谱芯片：谱

8、芯片：可以高通量地检测基因表达信息。可以高通量地检测基因表达信息。 DNAGenomeRNATranscriptomeProteinsProteomeDNA sequencingWhole genomeMicroarray2D-PAGE ?1 1、基因芯片在科学研究中的应用、基因芯片在科学研究中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域（4 4）功能基因组）功能基因组研究研究： 基因芯片的基因芯片的高通量、平行化、快高通量、平行化、快速化等特点，为功能速化等特点，为功能基因组学的研究提供基因组学的研究提供了可靠平台，使大规了可靠平台，使大规模研究各物种功能基模研究各物种功能基因组成为可

9、能。因组成为可能。 1 1、基因芯片在科学研究中的应用、基因芯片在科学研究中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域（5 5）生物信息学研究：）生物信息学研究：基因芯片应用过程中产生的海量数据，为生物信息学研究提基因芯片应用过程中产生的海量数据，为生物信息学研究提供了极好的平台。根据数据的归类，分析基因表达或比较基因组的差异，可探索这些差供了极好的平台。根据数据的归类，分析基因表达或比较基因组的差异，可探索这些差异所反映出的生物学功能或机制。目前的主要瓶颈是软件开发方面。异所反映出的生物学功能或机制。目前的主要瓶颈是软件开发方面。1 1、基因芯片在科学研究中的应用、基因芯片在科学研究

10、中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域2 2、在临床疾病诊断中的应用、在临床疾病诊断中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域采取样本核酸提取样品标记反转录扩增放大杂交反应洗脱读取信息，诊断结果（1 1）早期诊断）早期诊断基因细胞组织脏器个体全身2、在临床疾病诊断中的应用二、基因芯片的应用领域对对HIVHIV、HBVHBV、HCVHCV等病毒感染的检测方面，基因芯片同样可以发挥其等病毒感染的检测方面，基因芯片同样可以发挥其特殊的优势。基因芯片还可以发现早期窗口期的病例，从而为血库检验特殊的优势。基因芯片还可以发现早期窗口期的病例，从而为血库检验提供更加精密的技术，使血库

11、用血的生物安全性得到保证。提供更加精密的技术，使血库用血的生物安全性得到保证。2 2、在临床疾病诊断中的应用、在临床疾病诊断中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域（1 1 1 1）早早早早期期期期诊诊诊诊断断断断肿瘤早期诊断：肿瘤早期诊断：而全基因组芯片则可从分而全基因组芯片则可从分子水平上对全基因组进行子水平上对全基因组进行扫描，发现机体在基因组扫描，发现机体在基因组或基因表达水平最早期的或基因表达水平最早期的差异。因此又称为分子水差异。因此又称为分子水平的平的CTCT，可用于肿瘤的早，可用于肿瘤的早期发现。期发现。 2 2、在临床疾病诊断中的应用、在临床疾病诊断中的应用二、基

12、因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域（1 1 1 1）早早早早期期期期诊诊诊诊断断断断 根据基因根据基因芯片的高通量芯片的高通量性，把多个病性，把多个病原体的基因探原体的基因探针显微集成到针显微集成到同一芯片上，同一芯片上，还可以实现对还可以实现对多个相关的病多个相关的病原体进行诊断原体进行诊断和鉴别诊断。和鉴别诊断。 2 2、在临床疾病诊断中的应用、在临床疾病诊断中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域（2 2 2 2）鉴鉴鉴鉴别别别别诊诊诊诊断断断断呼吸系统感染呼吸系统感染消化系统感染消化系统感染 （2）鉴别诊断2、在临床疾病诊断中的应用二、基因芯片的应用领域2003 200

13、3 年年4 4 月月, , 与严重急性呼吸综合征（与严重急性呼吸综合征（ SARS)SARS)相关的一种相关的一种新型冠状病毒的基因组全序列被测定。新型冠状病毒的基因组全序列被测定。 针对SARS冠状病毒全长基因组，可设计多个靶探针检测位点 2 2、在临床疾病诊断中的应用、在临床疾病诊断中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域（3 3 3 3）急急急急性性性性传传传传染染染染病病病病快快快快速速速速诊诊诊诊断断断断SARSSARS发病急、传染快，发病急、传染快， 只有对病人给予早期、快速和准确的诊断和隔离只有对病人给予早期、快速和准确的诊断和隔离, , 才能有效地消除传染源。采用常

14、规的临床诊断技术，敏感性低，产生假阳性或假才能有效地消除传染源。采用常规的临床诊断技术，敏感性低，产生假阳性或假阴性，且靶抗原或靶基因位点受局限，不易快速、敏感和准确的诊断。阴性，且靶抗原或靶基因位点受局限，不易快速、敏感和准确的诊断。 2 2、在临床疾病诊断中的应用、在临床疾病诊断中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域（3 3 3 3）急急急急性性性性传传传传染染染染病病病病快快快快速速速速诊诊诊诊断断断断根据根据SARSSARS冠状病毒的冠状病毒的TOR2 TOR2 株为参考序列株为参考序列, , 通过设计出通过设计出3030条特异条特异的的60 60 mermer寡核苷酸（

15、寡核苷酸（oligooligo）, ,制备制备oligooligo基因芯片基因芯片, , 可用于可用于SARS-SARS-CoVCoV 的的的检测。的检测。 2 2、在临床疾病诊断中的应用、在临床疾病诊断中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域（3 3 3 3）急急急急性性性性传传传传染染染染病病病病快快快快速速速速诊诊诊诊断断断断 （4 4）用于慢性病检测及康复效果评定）用于慢性病检测及康复效果评定心血管病心血管病骨质疏松骨质疏松糖尿病糖尿病2 2、在临床疾病诊断中的应用、在临床疾病诊断中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域肥胖症肥胖症3 3、基因芯片在健康管理中的

16、应用、基因芯片在健康管理中的应用 随着经济发展、人民生活水平提高以及人类疾病谱的改变，医疗模式正在由预防、治疗为主逐步转变为预防保健为主。二、基因芯片的应用领域 上医治未病 -中医治人，下医治病。中医治人，下医治病。我们的祖先已认识到对疾病应我们的祖先已认识到对疾病应“未雨稠缪未雨稠缪 、防患未然、防患未然”的重要的重要性性3 3、基因芯片在健康管理中的应用、基因芯片在健康管理中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域发达国家发达国家-发展预防医学，促进大众健康发展预防医学，促进大众健康uu在日本在日本 每每330330人：人： 1 1名营养保健师名营养保健师 uu在英国：在英国：

17、全科医生全科医生uu在美国：在美国： 家庭医生家庭医生营养保健师营养保健师 临床医师临床医师=2.42.43 3、基因芯片在健康管理中的应用、基因芯片在健康管理中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域75%亚健康状态20%患病者5%健康3 3、基因芯片在健康管理中的应用、基因芯片在健康管理中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域 AgilentAgilent全基因组芯片全基因组芯片全基因组芯片全基因组芯片全基因组芯片，可以对机体的全部基因进行定时监测扫描全基因组芯片，可以对机体的全部基因进行定时监测扫描，建立健康基因表达谱，为健康管理提供，建立健康基因表达谱，为健康管理

18、提供”分子快照分子快照”。可用于健康管理的全基因组基因芯片（44K） 3 3、基因芯片在健康管理中的应用、基因芯片在健康管理中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域建建立立健健康康人人全全基基因因组组表表达达谱谱n n环境检测环境检测n n药物研究开发药物研究开发n n生物武器防御生物武器防御n n法医学鉴定法医学鉴定n n动植物检疫动植物检疫4 4、基因芯片在其它领域中的应用、基因芯片在其它领域中的应用二、基因芯片的应用领域二、基因芯片的应用领域n n基因芯片的飞速发展引起世界各国的广泛关注和重视。基因芯片的飞速发展引起世界各国的广泛关注和重视。19981998年年6 6月月29

19、29日美国宣布正式启动生物芯片计划，世界各国也开始加大日美国宣布正式启动生物芯片计划，世界各国也开始加大投入，以基因芯片为主的生物芯片产业正在全球崛起。投入，以基因芯片为主的生物芯片产业正在全球崛起。三、前 景国国际际形形势势三、前 景通用电器公司进入基因技术领域700亿美金收购Amersham Inc.具有code-link基因芯片技术国国际际形形势势公公共共卫卫生生问问题题三、前 景国内情况展 望剖面图剖面图克隆并体外表达克隆并体外表达蜘蛛丝基因蜘蛛丝基因体外产业化生产体外产业化生产蜘蛛丝蛋白的结构特点蜘蛛丝蛋白的结构特点蜘蛛丝蛋白的力学强度蜘蛛丝蛋白的力学强度中国古代的四大发明与近代的落后中国古代的四大发明与近代的落后了解历史可以使人明智 - 哲学家培根世界的历史也是技术发展的历史动力革命造就大不列颠日不落帝国动力革命造就大不列颠日不落帝国通讯革命形成当今世界全新的格局通讯革命形成当今世界全新的格局生物技术将关系到国家的经济命脉中国籍的诺贝尔奖中国籍的诺贝尔奖生物王国生物王国