DNA芯片原理、分类与操作课件

书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难12 七月 2024DNA芯片原理、分类与芯片原理、分类与操作操作14 八月 2023DNA芯片原理、分类与操作1书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难DNADNA芯片芯片DNA芯片技术是指在固相支持物上原位合成（芯片技术是指在固相支持物上原位合成（in situ synthesis）寡）寡核苷酸探针，或者直接将大量的核苷酸探针，或者直接将大量的DNA探针以显微打印的方式有序的固探针以显微打印的方式有序的固化于支持物表面，然后与标记的样品杂交，通过对杂交信号的检测分化于支持物表面，然后与标记的样品杂交，通过对杂交信号的检测分析即可得出样品的遗传信息（基因序列及表达的信息）。析即可得出样品的遗传信息（基因序列及表达的信息）。由于常用计算机硅芯片作为固相支持物，所以称为由于常用计算机硅芯片作为固相支持物，所以称为DNA芯片。芯片。DNA芯芯片又被称为基因芯片（片又被称为基因芯片（gene chips）、）、DNA阵列（阵列（DNA array）、）、cDNA芯片（芯片（cDNA chips）、寡核苷酸阵列（）、寡核苷酸阵列（oligonucleotide array）等）等。DNA芯片DNA芯片技术是指在固相支持物上原位合成（in s2书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难DNA芯片技术芯片技术DNADNA芯片原理及分类芯片原理及分类DNADNA芯片的操作芯片的操作DNADNA芯片技术的应用与展望芯片技术的应用与展望DNA芯片技术DNA芯片原理及分类DNA芯片的操作DNA芯片3书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难DNA芯片的基本原理芯片的基本原理 基因芯片的原理是基于核酸分子碱基之间基因芯片的原理是基于核酸分子碱基之间(A-T/C-G互补互补配对的原理配对的原理,利用分子生物学、基因组学、信息技术、微利用分子生物学、基因组学、信息技术、微电子、精密机械和光电子等技术将基因或电子、精密机械和光电子等技术将基因或DNA分子排列分子排列在特定固体物表面构成的微点阵。然后将标记的样品分子在特定固体物表面构成的微点阵。然后将标记的样品分子与微点阵上的与微点阵上的DNA杂交杂交,以实现多达数万个分子之间的杂以实现多达数万个分子之间的杂交反应交反应,高通量大规模地分析检测样品中多个基因地表达高通量大规模地分析检测样品中多个基因地表达状况或者特定基因状况或者特定基因(DNA)分子的是否存在的目的分子的是否存在的目的 基因芯片的优点基因芯片的优点：高通量高通量大规模大规模高度平行性高度平行性快速高效快速高效高灵敏度高灵敏度高度自动高度自动化化 缺点缺点：在同一温度下杂交，不同探针杂交效率不同。：在同一温度下杂交，不同探针杂交效率不同。DNA芯片芯片DNA芯片的基本原理 基因芯片的原理是基于核4书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难制备原理制备原理原理原理-通过杂交检测信息通过杂交检测信息一组寡核苷酸探针一组寡核苷酸探针TATGCAATCTAGCGTTAGATACGTTAGAATACGTTAGATCTACGTTAG由杂交位置确定的一组由杂交位置确定的一组核酸探针序列核酸探针序列GTTAGATC杂交探针组杂交探针组TATGCAATCTAG重组的互补序列重组的互补序列靶序列靶序列TACGTTAGACGTTAGAATACGTTACGTTAGATGTTAGATC ATACGTTADNA芯片芯片制备原理原理-通过杂交检测信息一组寡核苷酸探针TA5书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难DNA芯片分类芯片分类根据根据DNA芯片的制备方式可以将其分为两大类：芯片的制备方式可以将其分为两大类：原位合成芯片原位合成芯片 synthetic genechips:指采指采用显微光蚀刻技术在芯片的特定部位合成用显微光蚀刻技术在芯片的特定部位合成寡核苷酸而制成的芯片。寡核苷酸而制成的芯片。特点特点：合成的寡核苷酸链较短，密度较高。：合成的寡核苷酸链较短，密度较高。DNA 微集阵列微集阵列 DNA microarry:指将预先指将预先制备的制备的DNA片段以显微打印的方式有序地片段以显微打印的方式有序地固化于支持物表面。固化于支持物表面。特点特点：片段较长，密度较低。：片段较长，密度较低。DNA芯片芯片DNA芯片分类根据DNA芯片的制备方式可以将其分为两大类：D6书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难DNADNA芯片的操作及应用芯片的操作及应用DNA芯片芯片DNA芯片的操作及应用DNA芯片7书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难基因芯片使用步骤基因芯片使用步骤芯片制作芯片制作把探针固定于载体表把探针固定于载体表面面样品处理样品处理目标分子富集目标分子富集分子间的杂交分子间的杂交结果检测与数据分结果检测与数据分析析DNA芯片芯片基因芯片使用步骤芯片制作把探针固定于载体表面样品处理目标分子8书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难基因芯片荧光标记的样品 共聚焦显微镜获取荧光图象杂交结果分析探 针 设 计杂交DNA芯片芯片基因芯片荧光标记的样品 共聚焦显微镜获取荧光图象杂交结果分析9书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难DNA芯片的制备芯片的制备芯片的制备包括芯片的制备包括l支持物的预处理、支持物的预处理、l原位合成芯片的准备原位合成芯片的准备lDNA微集陈列的制备微集陈列的制备DNA芯片芯片基因芯片结构示意图基因芯片结构示意图DNA芯片的制备芯片的制备包括DNA芯片基因芯片结构示意图10书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难DNA芯片的制备芯片的制备支持物分两类支持物分两类实性材料实性材料 包括硅芯片，玻璃，瓷片等。目包括硅芯片，玻璃，瓷片等。目前最常用者为玻璃。预处理的目的是使其表前最常用者为玻璃。预处理的目的是使其表面形成羟基，氨基等活性基团，以便与单核面形成羟基，氨基等活性基团，以便与单核苷酸或苷酸或DNA形成共价键形成共价键膜性材料膜性材料 包括聚丙烯膜，尼龙膜，硝酸纤包括聚丙烯膜，尼龙膜，硝酸纤维素膜等维素膜等 通常要包被氨基硅烷或多聚赖氨通常要包被氨基硅烷或多聚赖氨酸等，使其带上正电荷，以吸附酸等，使其带上正电荷，以吸附DNA支持物的预处理支持物的预处理:DNA芯片芯片DNA芯片的制备支持物的预处理:DNA芯片11书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难DNA芯片的制备芯片的制备原位合成芯片的制备原位合成芯片的制备1 显微光蚀刻技术显微光蚀刻技术 优点：合成速度快，步骤少优点：合成速度快，步骤少缺点：合成的探针短，效率低缺点：合成的探针短，效率低2 压电打印法压电打印法 合成的探针可达合成的探针可达40-50 nt，合成效率较高，合成效率较高DNA芯片芯片DNA芯片的制备原位合成芯片的制备1 显微光蚀刻技术 DN12书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难DNA微阵列的制备微阵列的制备采用事先合成的采用事先合成的DNA或制备基因探针，然后打印或制备基因探针，然后打印在支持物上在支持物上l喷墨打印喷墨打印 优点：速度快，量准，对支持物表面要求低；优点：速度快，量准，对支持物表面要求低；缺点：斑点大，探针密度低，液滴分配不均缺点：斑点大，探针密度低，液滴分配不均l针式打印针式打印 优点：简便，价低，液滴小，探针密度大；优点：简便，价低，液滴小，探针密度大；缺点：准确性和重现性差缺点：准确性和重现性差DNA芯片的制备芯片的制备DNA芯片芯片DNA微阵列的制备采用事先合成的DNA或制备基因探针，然后打13书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难喷墨打印技术喷墨打印技术DNA芯片芯片喷墨打印技术DNA芯片14书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难针式打印法（接触式点样）针式打印法（接触式点样）Best!Best!DNA芯片芯片针式打印法（接触式点样）Best!DNA芯片15书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难点阵的制作DNA芯片芯片点阵的制作DNA芯片16书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难 样品的准备样品的准备 样品的准备包括样品的准备包括l样品的分离纯化样品的分离纯化l扩增扩增l标记标记DNA芯片芯片 样品的准备DNA芯片17书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难分离纯化：样品来源于活的细胞，使用一定方法分分离纯化：样品来源于活的细胞，使用一定方法分离并纯化离并纯化DNA或或RNA（特别是（特别是mRNA）。只有达到）。只有达到一定纯度的样品，才能保证后续操作的正确。一定纯度的样品，才能保证后续操作的正确。目前分离纯化使用的试剂均有商品出售，品牌繁多，目前分离纯化使用的试剂均有商品出售，品牌繁多，原理也不尽相同，产物收率和耗时也相差甚远原理也不尽相同，产物收率和耗时也相差甚远分离纯化分离纯化DNA芯片芯片样品准备样品准备分离纯化：样品来源于活的细胞，使用一定方法分离并纯化DNA或18书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难样品准备样品准备l样品的扩增：扩增的目的在于获得足够的样品量。现样品的扩增：扩增的目的在于获得足够的样品量。现已发展出固相已发展出固相PCR系统。系统。l样品的标记：主要采用样品的标记：主要采用荧光标记法荧光标记法，也可用生物素，也可用生物素，或放射性核标记。标记的方式采用或放射性核标记。标记的方式采用PCR或或RT-PCR。常。常用的荧光色素为用的荧光色素为Cy3、Cy5。用。用Cy3、Cy5标记标记dNTP，经经PCR后，产物即可被标记。待测样品和对照可采用后，产物即可被标记。待测样品和对照可采用双色荧光标记。双色荧光标记。样品扩增和标记样品扩增和标记DNA芯片芯片样品准备样品的扩增：扩增的目的在于获得足够的样品量。现已发展19书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难 分子杂交分子杂交 芯片的杂交：芯片的杂交：将已知序列的将已知序列的DNA探针显微固化于支持物表面，将已探针显微固化于支持物表面，将已标记好的样品与之进行杂交，杂交过程一般在标记好的样品与之进行杂交，杂交过程一般在30分钟分钟完成。样品与完成。样品与DNA芯片上的探针阵列进行杂交。芯片上的探针阵列进行杂交。与经典分子杂交的区别：与经典分子杂交的区别：杂交时间短，杂交时间短，30分钟内完成分钟内完成可同时平行检测许多基因序列可同时平行检测许多基因序列影响杂交反应的因素影响杂交反应的因素：盐浓度、温度、反应时间、盐浓度、温度、反应时间、DNA二级结构二级结构DNA芯片芯片 分子杂交芯片的杂交：DNA芯片20书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难 检测分析检测分析 l原理：待测样品与支持物上探针列阵杂交后，荧光标记的原理：待测样品与支持物上探针列阵杂交后，荧光标记的样品结合在芯片的特定位置，未结合的探针被除去；样品结合在芯片的特定位置，未结合的探针被除去；样品与探针严格配对的杂交分子，热力学稳定性高，产生样品与探针严格配对的杂交分子，热力学稳定性高，产生的荧光信号强，不完全配对的，荧光信号弱；不能杂交不产的荧光信号强，不完全配对的，荧光信号弱；不能杂交不产生荧光信号生荧光信号l分析：采用激光扫描或激光共聚焦显微镜采集杂交信号分析：采用激光扫描或激光共聚焦显微镜采集杂交信号（位置、强度、颜色），并与对照比较，经相关软件进行图（位置、强度、颜色），并与对照比较，经相关软件进行图像和数据处理。即可得也待测样品的信息。像和数据处理。即可得也待测样品的信息。经以上获得的数据十分庞大，还需进行分析，比较，归纳，经以上获得的数据十分庞大，还需进行分析，比较，归纳，才能得出明晰的结论。才能得出明晰的结论。DNA芯片芯片 检测分析原理：待测样品与支持物上探针列阵杂交后，荧光标21书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难DNA芯片芯片DNA芯片22书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难基因芯片扫描结果基因芯片扫描结果不同的颜色代表一个探针点杂交上的带荧光标记不同的颜色代表一个探针点杂交上的带荧光标记的核酸分子数的差异。红黄绿兰紫的核酸分子数的差异。红黄绿兰紫DNA芯片芯片基因芯片扫描结果不同的颜色代表一个探针点杂交上的带荧光标记的23书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难DNA芯片技术的应用芯片技术的应用231疾病的诊断与治疗疾病的诊断与治疗,杂交测序杂交测序基因表达分析基因表达分析DNA芯片芯片DNA芯片技术的应用231疾病的诊断与治疗,24书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难 基因表达分析基因表达分析 人类基因组编码大约人类基因组编码大约30,000个不同的基因，仅个不同的基因，仅掌握基因序列信息资料，掌握基因序列信息资料，要理解其基因功能是远远要理解其基因功能是远远不够的。不够的。因此，具有监测大量因此，具有监测大量mRNA的实验工具很重要。的实验工具很重要。基因芯片技术可清楚地直基因芯片技术可清楚地直接快速地检测出以接快速地检测出以1:300,000水平出现的水平出现的mRNA，且易于同时监测，且易于同时监测成千上万的基因。成千上万的基因。DNA芯片芯片 基因表达分析人类基因组编码大约30,000个不同的基因，25书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难 杂交测序杂交测序 芯片技术中杂交测序芯片技术中杂交测序(sequencing by hybridization，SBH)技术是一种新的高效快速测序方法。技术是一种新的高效快速测序方法。用含用含65,536个个8聚寡核苷酸的微阵列，采用聚寡核苷酸的微阵列，采用SBH技术，可测定技术，可测定200bp长长DNA序列。采用序列。采用67,108,864个个13聚寡核苷酸的微阵聚寡核苷酸的微阵列，可对数千个碱基长的列，可对数千个碱基长的DNA测序。测序。SBH技术的效率随着微技术的效率随着微阵列中寡核苷酸数量与长度的增加而提高，但微阵列中寡核苷阵列中寡核苷酸数量与长度的增加而提高，但微阵列中寡核苷酸数量与长度的增加则提高了微阵列的复杂性，降低了杂交准酸数量与长度的增加则提高了微阵列的复杂性，降低了杂交准确性。确性。DNA芯片芯片 杂交测序芯片技术中杂交测序(sequencing b26书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难 疾病的诊断与治疾病的诊断与治疗疗基因芯片在感染性疾病、遗传性疾病和肿瘤等疾病的临床诊基因芯片在感染性疾病、遗传性疾病和肿瘤等疾病的临床诊断方面具有独特的优势。与传统检测方法相比：断方面具有独特的优势。与传统检测方法相比：它可以在一张芯片同时对多个病人进行多种疾病的检测；它可以在一张芯片同时对多个病人进行多种疾病的检测；无需机体免疫应答反应，能及早诊断，待测样品用量小；无需机体免疫应答反应，能及早诊断，待测样品用量小；能检测病原微生物的耐药性，病原微生物的亚型；能检测病原微生物的耐药性，病原微生物的亚型；极高的灵敏度和可靠性；检测成本低，自动化程度高，利于极高的灵敏度和可靠性；检测成本低，自动化程度高，利于大规模推广应用。大规模推广应用。这些特点使得医务人员在短时间内，可以掌握大量的疾病诊这些特点使得医务人员在短时间内，可以掌握大量的疾病诊断信息，这些信息有助于医生在短时间内找到正确的治疗措断信息，这些信息有助于医生在短时间内找到正确的治疗措施。施。DNA芯片芯片 疾病的诊断与治疗基因芯片在感染性疾病、遗传性疾病和肿瘤27书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难DNA芯片展望芯片展望 DNA芯片的出现和应用，为芯片的出现和应用，为DNA测序，诊断，大测序，诊断，大面积人群的筛查带来了极大的方便，具有通量高，快速，面积人群的筛查带来了极大的方便，具有通量高，快速，等优点。但其不足之处亦是显而易见的：稳定性较低；等优点。但其不足之处亦是显而易见的：稳定性较低；只能探查已知基因；费用过高及临床使用的非必须性等只能探查已知基因；费用过高及临床使用的非必须性等因素成为其发展受到影响。因素成为其发展受到影响。尽管基因芯片技术在生命科学领域越来越受到广泛的关注和重视，尽管基因芯片技术在生命科学领域越来越受到广泛的关注和重视，但在其研究与开发中目前还面临很多困难，如技术成本高，生产和使用但在其研究与开发中目前还面临很多困难，如技术成本高，生产和使用还过于复杂，检测灵敏度还不尽人意、重复性差、分析范围狭窄等还过于复杂，检测灵敏度还不尽人意、重复性差、分析范围狭窄等.这些这些问题主要集中在样品的制备、探针的合成和固定、分子的标记、数据的问题主要集中在样品的制备、探针的合成和固定、分子的标记、数据的读取和分析等几个方面，但这些问题终将会得到很好的解决读取和分析等几个方面，但这些问题终将会得到很好的解决.可以预见，可以预见，随着功能基因组学研究的深入及芯片技术的不断完善，这一新的技术革随着功能基因组学研究的深入及芯片技术的不断完善，这一新的技术革命必将在生命科学和相关领域发挥巨大的作用命必将在生命科学和相关领域发挥巨大的作用.DNA芯片展望 DNA芯片的出现和应用，为D28