基因增殖和分析芯片提高檢查的效率

基因增殖和分析芯片提高檢查的效率

日本榮研化學(xué)公司日前宣布，該公司和德島大學(xué)馬場嘉信合作，開發(fā)出用名片一樣大的芯片增殖、分析基因的技術(shù)，醫(yī)療機構(gòu)用它可提高檢查基因的效率。

據(jù)《日經(jīng)產(chǎn)業(yè)新聞》２２日報道，這一技術(shù)使用了該公司開發(fā)的基因殖專用塑料芯片，先在芯片上搭載要檢查的基因試樣，然后用專用裝置加熱到攝氏６０度左右，約經(jīng)過１０分鐘，基因就會大幅增殖。分析基因時，芯片在增殖的基因中自動提取足夠的量，然后芯片放入電泳裝置，用一兩分鐘就可以分析出來。

芯片加上螢光劑，可以區(qū)別試樣基因和增幅基因，分析基因在每個階段的變化?，F(xiàn)在問題是使用芯片使基因增殖和分析基因成本還相對較高，如何降低成本是需要解決的課題。

DNA芯片技術(shù)、基因芯片、蛋白質(zhì)芯片的制作方法、原理和檢測方法

生物芯片技術(shù)都包含四個基本要點： 芯片的制作、雜交或反應(yīng)、測定或掃描、數(shù)據(jù)處理 。

具體而言，比較典型的DNA芯片制備方法有4種：
第一種方法 是Affymetrix公司開發(fā)的光引導(dǎo)原位合成法，該方法是微加工技術(shù)中光刻工藝與光化學(xué)合成法相結(jié)合的產(chǎn)物。
第二種方法 是Incyte Pharmaceutical公司采用的化學(xué)噴射法，該方法是將合成好的核昔酸探針定點噴射到芯片上并加以固定化來制作DNA芯片。
第三種方法 是斯坦福大學(xué)研制的接觸式點涂法。在DNA芯片制備中通過高速精密機械手的精確移動讓移液頭與玻璃芯片接觸，而將DNA探針涂敷在芯片上。
第四種方法 是通過使用4支分別裝有A，T，G，C核苷的壓電噴頭在芯片上并行地合成出DNA探針。根據(jù)芯片上的固定的探針不同，生物芯片包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、cDNA芯片，目前制備芯片的方法基本上可分為兩大類： 一類是原位合成(in situ Synthesis) ； 一類是合成后交聯(lián)(post-synthesis attachment) 。它包括化學(xué)噴射法、接觸式點涂法。合成點樣法雖然芯片上探針的密度相對較低，每個樣品都要預(yù)合成、純化，在芯片制備前還需妥善保存合成的探針，但是它的最大優(yōu)點是操作簡便。其中，接觸式點涂法的優(yōu)點是探針密度比較高，缺點是定量準(zhǔn)確性及重現(xiàn)性不好，打印針易堵塞且使用壽命有限。噴印法的優(yōu)點是定量準(zhǔn)確，重現(xiàn)性好，使用壽命長；缺點是噴印的斑點大，因此探針密度低，通常只有1平方厘米400點。

其基本原理和檢測方法如下：
采用光導(dǎo)原位合成或微量點樣等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細(xì)胞等等生物樣品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝膠、尼龍膜等載體）的表面，組成密集二維分子排列，然后與已標(biāo)記（熒光、地高辛、生物素）的待測生物樣品中靶分子雜交，通過特定的儀器比如激光共聚焦掃描或電荷偶聯(lián)攝影像機（CCD）對雜交信號的強度進行快速、并行、高效地檢測分析。
基本原理： DNA與DNA，蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)，DNA與蛋白質(zhì)之間的相互作用。

產(chǎn)檢基因芯片技術(shù)是檢查什么

基因芯片就是利用點樣技術(shù)、現(xiàn)代探針固相原位合成技術(shù)、照相平板印刷技術(shù)等微電子技術(shù)在有限的空間內(nèi)，有序的集成一系列的可尋址識別的基因片段，以用于高通量、高速度、低成本的一種分子生物學(xué)工具
在國外現(xiàn)有白血病診斷用芯片、高血壓診斷用芯片等等。國內(nèi)也有人在研究致病 菌分析用芯片
*************************************************************
如果你對這個答案有什么疑問，請追問，
另外如果你覺得我的回答對你有所幫助，請千萬別忘記采納喲！
**************************************************************

基因芯片技術(shù)

“微處理器在本世紀(jì)使我們的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本改變，給人類帶來了巨大的財富，改變了我們的生活方式。然而，生物芯片給人類帶來的影響可能會更大，它可能從根本上改變醫(yī)學(xué)行為和我們的生活質(zhì)量，從而改變世界的面貌 ”。

一、生物芯片與基因芯片
生物芯片技術(shù)是通過縮微技術(shù)，根據(jù)分子間特異性地相互作用的原理，將生命科學(xué)領(lǐng)域中不連續(xù)的分析過程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)對細(xì)胞、蛋白質(zhì)、基因及其它生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測。按照芯片上固化的生物材料的不同，可以將生物芯片劃分為基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片。生物芯片技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器檢測方法相比具有高通量、微型化、自動化、成本低、防污染等特點。按照生物芯片的制作技術(shù)，可以將生物芯片劃分為微矩陣和原位合成芯片。鑒于生物芯片技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，美國科學(xué)促進會將生物芯片評為1998年的十大科技突破之一，認(rèn)為生物芯片技術(shù)將是繼大規(guī)模集成電路之后的又一次具有深遠意義的科學(xué)技術(shù)革命。
目前,最成功的生物芯片形式是以基因序列為分析對象的“微陣列(microarray)”,也被稱為基因芯片(Gene chip)DNA芯片(DNA chip)。按照載體上點的DNA種類的不同，基因芯片可分為寡核苷酸和cDNA兩種芯片。按照基因芯片的用途可分為表達譜芯片、診斷芯片、指紋圖譜芯片、測序芯片、毒理芯片等等。早在八十年代初期,Bains等人就用雜交的方法對固定在支持物上的短DNA片段進行序列測定?；蛐酒夹g(shù)從實驗階段走向工業(yè)化是得益于其他技術(shù)的引入，如激光共聚焦顯微技術(shù)、探針固相原位合成技術(shù)與照相平板印刷技術(shù)的結(jié)合和雙色熒光探針雜交系統(tǒng)的建立。90年代初期人類基因組計劃（Human Genome Project, HGP）和分子生物學(xué)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展也為基因芯片技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展提供了有利條件。1992年，Affymatrix公司Fodor領(lǐng)導(dǎo)的小組運用半導(dǎo)體照相平板技術(shù)，對原位合成制備的DNA芯片作了首次報道，這是世界上第一塊基因芯片。1995年，Stanford大學(xué)的P.Brown實驗室發(fā)明了第一塊以玻璃為載體的基因微矩陣芯片。標(biāo)志著基因芯片技術(shù)進入了廣泛研究和應(yīng)用的時期。

二、制備基因芯片的必要條件
1、靶基因 用于芯片點樣的是靶基因。靶基因可分為染色體DNA（或基因組DNA）、cDNA（或人工合成DNA）。目前，以cDNA的研究為主，因為cDNA是染色體上編碼蛋白質(zhì)的DNA序列，有醫(yī)療和其他領(lǐng)域的研究價值和商業(yè)價值。
2、制備技術(shù) 基因芯片的制備綜合了生命科學(xué)、化學(xué)染料、微電子技術(shù)、激光、統(tǒng)計學(xué)等領(lǐng)域的前沿技術(shù)，主要包括芯片的制備（選擇點樣儀和玻片、靶基因的擴增和固定）、雜交探針的制備（mRNA的抽提、mRNA的逆轉(zhuǎn)錄、PCR和探針熒光標(biāo)記）、雜交條件的優(yōu)化技術(shù)（雜交液、雜交條件和洗滌條件的選擇）和數(shù)據(jù)分析技術(shù)。其中，基因芯片的制備主要依賴于微細(xì)加工（microfabrication）、自動化（automatism）及化學(xué)合成技術(shù)。通常比較典型的DNA芯片制備方法有3種：（1）原位合成法（in situ synthesis） 以Affymetrix公司開發(fā)的光引導(dǎo)原位合成法為代表（2）合成點樣法 又根據(jù)是否與芯片的表面接觸分為化學(xué)噴射法和接觸式點涂法，分別以Incyte Pharmaceutical公司和Stanford大學(xué)為代表（3）壓電法 通過使用4支分別裝有A、T、G、C核苷的壓電噴頭在芯片上作原位DNA探針合成。

三、基因芯片技術(shù)簡介
基因芯片技術(shù)主要包括四個主要步驟：芯片制備、樣品制備、雜交反應(yīng)和信號檢測和結(jié)果分析。
1、芯片制備-目前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(shù)。以便能快速、準(zhǔn)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(fù)雜的生物分子混合體，除少數(shù)特殊樣品外，一般不能直接與芯片反應(yīng)，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(zhì)或DNA、RNA，然后用熒光標(biāo)記，以提高檢測的靈敏度和使用者的安全性。
3、雜交反應(yīng)-雜交反應(yīng)是熒光標(biāo)記的樣品與芯片上的探針進行的反應(yīng)產(chǎn)生一系列信息的過程。選擇合適的反應(yīng)條件能使生物分子間反應(yīng)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(jié)果分析-雜交反應(yīng)后的芯片上各個反應(yīng)點的熒光位置、熒光強弱經(jīng)過芯片掃描儀和相關(guān)軟件可以分析圖像，將熒光轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，即可以獲得有關(guān)生物信息。 基因芯片技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)是將從樣品制備、雜交反應(yīng)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)（micro total analytical system）或稱縮微芯片實驗室（laboratory on a chip）。使用縮微芯片實驗室，就可以在一個封閉的系統(tǒng)內(nèi)以很短的時間完成從原始樣品到獲取所需分析結(jié)果的全套操作。

四、基因芯片的應(yīng)用及其商業(yè)價值
目前，基因芯片技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域主要有基因表達譜分析、新基因發(fā)現(xiàn)、基因突變及多態(tài)性分析、基因組文庫作圖、疾病診斷和預(yù)測、藥物篩選、基因測序等。另外基因芯片在農(nóng)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。 基因芯片的飛速發(fā)展引起世界各國的廣泛關(guān)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(xué)術(shù)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(nèi)，基因芯片將為我們一生的疾病預(yù)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(gòu)投入了20億美元以上的研究經(jīng)費。世界各國也開始加大投入，以基因芯片為核心的相關(guān)產(chǎn)業(yè)正在全球崛起，目前美國已有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：全球目前生物芯片工業(yè)產(chǎn)值為10億美元左右，預(yù)計今后5年之內(nèi)，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(jì)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(jīng)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(xué)的研究方式，革新醫(yī)學(xué)診斷和治療，極大地提高人口素質(zhì)和健康水平。鑒于生物芯片技術(shù)具有巨大理論意義和實際價值，基因芯片研究在國內(nèi)也有了很快的發(fā)展，例如，復(fù)旦大學(xué)、中科院上海冶金所、清華大學(xué)、聯(lián)合基因有限公司、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院、中科院上海細(xì)胞所等單位已在生物芯片技術(shù)方面取得了較大突破，相信不久將有我國生產(chǎn)的生物芯片產(chǎn)品投放市場。
總之，以基因芯片為代表的生物芯片技術(shù)的深入研究和廣泛應(yīng)用，將對21世紀(jì)人類生活和健康產(chǎn)生極其深遠的影響。

基因芯片信號檢測與數(shù)據(jù)處理（詳細(xì)版）

來回顧一下基因芯片分析的步驟，首先在布滿探針的玻璃平板上加入不同熒光標(biāo)記（Cy3和Cy5）的對照組和實驗組mRNA樣品，與芯片上探針雜交后，再用計算機掃描熒光信號，最后進行數(shù)據(jù)處理，分析。

?生物芯片在熒光標(biāo)記的樣本和探針結(jié)合后, 必須用掃讀裝置將芯片測定結(jié)果轉(zhuǎn)變成可供分析處理的圖像數(shù)據(jù)。

1.圖像分析

2.數(shù)據(jù)預(yù)處理

具體過程：

1.激光激發(fā)使含熒光標(biāo)記的DNA片段發(fā)射熒光

2.激光掃描儀或激光共聚焦顯微鏡采集各雜交點的信號

3.軟件進行圖象分析和數(shù)據(jù)處理

?生物芯片檢測的目的是將不可見的生物分子的微弱變化通過生物、化學(xué)、光學(xué)、電子和軟件等多學(xué)科交叉技術(shù)的綜合處理，轉(zhuǎn)換成可見的數(shù)字圖像信號，實現(xiàn)信號的放大、增強和可視化，以便進行科學(xué)研究。

掃描儀組成：包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)

信號 (signal) : 通過檢測一 起獲得的數(shù)字量 輸出 ，對應(yīng)于真實的實驗分析數(shù)據(jù)。

噪聲 (noise) : 通過檢測儀器的數(shù)字量輸出， 對應(yīng)于背景熒光、暗電流、沖擊噪聲以及其他非實驗分析數(shù)據(jù)。

信噪比（signal-to-noise ratio) : 微陣列檢測過程中信號和噪聲的比值 。

1.數(shù)據(jù)的提取

2.對數(shù)化

3.探針過濾

4.補缺失值

5.標(biāo)準(zhǔn)化

6.探針注釋

7.基因過濾

芯片的熒光掃描圖像信號

一般來說，實驗組一般為疾病樣本，對照組為正常樣本

CH1I?實驗組信號值

CH1B? 實驗組背景值

CH2I?對照組信號值

CH2B? 對照組背景值

表達譜矩陣表達量計算：

Ratio=(CH1I-CH1B)/(CH2I-CH2B）

芯片數(shù)據(jù)格式

下列為表達譜矩陣的一般格式：每一列為一個樣本（sample）的所有基因表達值，每一行為某個基因在所有樣本的表達值

原始數(shù)據(jù)呈偏態(tài)分布對數(shù)轉(zhuǎn)化后呈近似正態(tài)分布

去除表達水平是負(fù)值或很小的數(shù)據(jù)或明顯的噪音數(shù)據(jù)過閃耀現(xiàn)象物理因素導(dǎo)致的信號污染（劃傷，指紋等）

原因：雜交效能低，點樣問題 ……

實際問題：彗星尾 背景高 粘點問題等

非隨機缺失（豐度過高或過低）

隨機缺失（與表達水平高低無關(guān)）

1.刪除相應(yīng)的行，列

2.簡單補缺法 0/1

3.均值 樣本均值 基因均值

4.k近鄰法

由于會存在系統(tǒng)誤差，需要對芯片進行標(biāo)準(zhǔn)化

感興趣的變異

真正的生物學(xué)變異

差異表達基因

混雜變異

實驗過程中引入的變異

在樣本的染色、芯片的制作、芯片的掃描過程中引入的系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差來源

染料的物理屬性

染料的結(jié)合效率

探針的制備

探針和樣本的雜交過程

數(shù)據(jù)收集時的掃描過程

不同芯片間的差異

不同芯片雜交條件

標(biāo)準(zhǔn)化過程的參照物穩(wěn)定表達的基因

持家基因(housekeeping genes)

外源性的或人工合成的控制基因(controls）

芯片上大部分穩(wěn)定表達的基因(所有基因)

相對穩(wěn)定基因子集( invariant set）

不存在染料偏倚

不存在不同grid帶來的系統(tǒng)誤差

主要為不同芯片間的差異

類似于cDNA芯片

Z-score

MAS 5

RMA

Probe ID 第一列

Gene Symbol 第二列

ENTREZ_GENE ID 第三列

刪除探針對應(yīng)不到基因表達譜里的行

多個探針對一個基因，表達值取均值或中值

一個探針對多個基因，刪除行

r語言實現(xiàn)

probe_name<rownames(probe_exp)#提取probeid

loc<match(probeid_geneid[,1],probe_name)#probeid進行匹配,30000多個

probe_exp<-probe_exp[loc,]#能匹配上的probe的對應(yīng)表達值

raw_geneid<-as.numeric(as.matrix(probeid_geneid[,3]))#每個probeid對應(yīng)的geneid

index<-which(!is.na(raw_geneid))#找出有g(shù)eneid的probeid并建立索引

geneid<-raw_geneid[index]#提取與geneid匹配的probeid

exp_matrix<-probe_exp[index,]#找到每個geneid的表達值（這里探針對應(yīng)不到基因的行就刪除了）

geneidfactor<-factor(geneid)

gene_exp_matrix<-apply(exp_matrix,2,function(x) tapply(x,geneidfactor,mean))#多個探針對應(yīng)1個基因的情況，取平均值

rownames(gene_exp_matrix)<-levels(geneidfactor)#geneid作為行名

gene_exp_matrix2<-cbind(geneid,gene_exp_matrix)

write.table(gene_exp_matrix2,file="geneid_exp.txt",sep=" ",row.names=F)#寫出geneid表達譜矩陣

＃把gene id轉(zhuǎn)化成gene symbol

loc<match(rownames(gene_exp_matrix),probeid_geneid[,3])#geneid表達譜矩陣和geneid匹配，建立索引

row.names(gene_exp_matrix)<-probeid_geneid[loc,2] ＃行名換成gene symbol

genesymbol<-rownames(gene_exp_matrix)

gene_exp_matrix3<-cbind(genesymbol,gene_exp_matrix#Gene_symbol這列為表達譜的行名，并與表達譜合并

write.table(gene_exp_matrix3,file="genesymbol_exp.txt",sep=" ",row.names=F,quote=F)#寫出genesymbol表達譜矩陣

基因過濾

波動篩選方差

最小倍數(shù)變化篩選(Minimumfold-change filter) 差異性較小的基因可用該方法去除

此處篩選的標(biāo)準(zhǔn)基于以下條件:滿足表達量距其在所有芯片上表達量中位數(shù)相差指定倍數(shù)的基因的個數(shù)，占總基因個數(shù)的比例(故在此需要用戶指定兩個值，比例和倍數(shù))。

少于x%中的表達水平大于等于中值的y倍(20%，1.5）

內(nèi)容大部分來源于老師PPT和生物信息學(xué)第二版，在這里做總結(jié)歸納

本文地址:http://m.mcys1996.com/zhongyizatan/71979.html.

聲明： 我們致力于保護作者版權(quán)，注重分享，被刊用文章因無法核實真實出處，未能及時與作者取得聯(lián)系，或有版權(quán)異議的，請聯(lián)系管理員，我們會立即處理，本站部分文字與圖片資源來自于網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)載是出于傳遞更多信息之目的,若有來源標(biāo)注錯誤或侵犯了您的合法權(quán)益，請立即通知我們(管理員郵箱：douchuanxin@foxmail.com)，情況屬實，我們會第一時間予以刪除，并同時向您表示歉意,謝謝!

上一篇: 新研究發(fā)現(xiàn)基因突變造成兒童早衰癥(早···

下一篇: 研究報告顯示降膽固醇藥預(yù)防青光眼