《科学》：生物芯片与基因发现

《科学》：生物芯片与基因发现

　　最新一期《Science》发表K.K.Jain的文章Biochips for Gene Spotting,全文如下：发表生物芯片是生物技术中主要的技术之一。研究人员从计算机技术中借用了微型化、整合、平行化处理的技术来发展在芯片上的实验室装置和处理过程。一般地，在芯片上的靶标是有序排列的样本，如cDNA，寡核苷酸或者蛋白质等。宏观矩阵（Macroarraying）也可称之为画格子，把样本点到比较大的尼龙膜上，通过杂交来分析它们。然而，微矩阵（Microarraying）的点直径小于200微米，并需要显微分析。把那么多的信息放在一个很小的空间里使得微矩阵有明显的优势。一个微矩阵（DNA microarray）只占有几平方厘米的空间，但是包含了上千个靶点，每一个点代表了一个基因的部分。因此，在芯片上设计包含一个复杂生物体的所有基因，大约30000到60000个是可能的。

　　随着生物芯片技术的发展，有很多的语言来描述它。至少有23种不同的术语来描述微矩阵。最常用的是称之为“DNA芯片”（DNA chip），虽然“基因芯片”（geng chip）个词有时也用，但是GeneChip是Affymetrix公司基因分析研究用的专利微矩阵，它能够在一片上摆放多至400000个不同的寡核苷酸片段或10000个基因的每个基因的40个片段。

　　DNA微矩阵系统是多用途的工具，可以用来变异分析，基因测序和基因表达分析。这些系统组合了DNA芯片和样本处理装置，用于阅读信号分子的扫描仪，分析数据的生物信息学工具等。通过与固定在芯片上的寡核苷酸杂交，可以容易地在基因组规模上来定量分析特定mRNAs的表达或检测基因组DNA的多态性。

　　芯片技术也可以用来分析蛋白质。如产品ProteinChip（Ciphergen biosystem Inc., Fremont, California）能把蛋白质点阵到经化学方法或酶、受体、抗体等生物学方法处理过的固体表面。通过衡量与芯片表面的亲和力来分析未知分子，用聚焦的激光能量把它们从表面分离下来，根据分子量来检测。这样的芯片可以用来进行免疫分析，蛋白—蛋白间的相互作用和配体结合分析。这儿主要集中于讲DNA芯片的使用和不同类型的蛋白芯片。

　　DNA微矩阵是同时对上千个基因的表达进行分析的好工具。最普遍的是，微矩阵分析是通过荧光标记的cDNAs（来自RNA）与固定在芯片上的序列杂交。这儿，探针指的是荧光标记的DNAs，靶标指的是固定的序列。这些定义与传统的杂交技术中的刚好相反，所以读者需要注意。

　　用于基因表达的微矩阵分析包括以下几个步骤：

　　1） 矩阵的构建。点到芯片上的DNAs可以是cDNAs（部分或完整的），基因组DNAs，或者是化学合成的寡核苷酸序列。

　　2） 探针的准备。从样本中抽提出RNA，反转录成cDNA。后面这一步骤包括了荧光染料整合到每个样本的探针中。

　　3） 探针与矩阵的杂交。来自两个样本的探针混合在一起，在芯片上都有其互补序列。就如传统的核酸杂交，杂交条件经过优化使背景最小。未结合上的探针在扫描前被冲洗掉。

　　4） 扫描和检测。用激光共聚焦的扫描仪来扫描杂交后的矩阵，检测用来标记探针的两种荧光染料。荧光信息存储在电脑中，并进行分析和图象建设。

　　5） 标准化和数据分析。对每一种染料扫描后的图象通过一定的软件处理并合并得到每个点的重叠图。点数和每点的强度定量确定，确定背景强度并被减掉。对照点，或是额外加入的序列，或是报道基因，或是每个样本的总的荧光信号强度，来帮助校正两种荧光染料的标记差异和检测效率。一般的，两个样本中的每个基因信号用控制好的强度进行扫描测量。

　　基于DNA矩阵的技术提供了相对简单的方法来同时测量生物体中的所有基因的差异表达，如在不同的细胞或组织样本中的RNA转录物的相对水平。当两个不同来源（对照和疾病组织）的特定RNAs的水平差异可以通过两种不同的颜色来代表，如蓝和黄。如果在两个组织中的一个基因的表达水平相同，电脑会用绿颜色表示。用蓝或绿代表颜色的变化表明基因表达有差异。用芯片技术来平行化分析基因的表达，使得我们可以来了解参予基因表达调节的细胞中的过程。DNA矩阵的信息使研究者可以来研究在滤过性病菌感染而引起的疾病状态下的或细胞转化引起肿瘤状态下的基因表达。对这些变化的更全面的了解有助于对病毒复制，发病机理和宿主抗病毒机理的了解。

　　微矩阵分析产生了巨大的数据组。例如，对六个样本的芯片实验，约有50000个基因，以及10个不同的实验条件产生3000000条基本数据。样本图象的交差对比分析将把此数据信息成倍翻番。这么多的数据需要大规模的信息存储，分析和管理。这样的生物数据的挖掘和存储系统近来已进入市场。软件包帮助了研究者，使他们在进行对矩阵的分析较为简单，如图象的组合、定量和转化成表达信息，以便于进一步的研究和确证。基因表达模式的分析有助于研究者对药物作用机理的研究。例如通过cDNA微矩阵来研究ferrioxamine的作用，它是酵母中的铁离子鏊合物，通过转录因子Aft1调节铁的吸收，因为铁的处理提高了Aft1的活性。这个结果说明了酵母中有两组ATF-1调节基因，它们维持了不同的ferrioxamine介导的铁离子吸收途径。高亲合性的亚铁离子转运系统中的一个组分Fet3p表达在细胞膜上；然而，Arn3p高铁离子介导转运系统表达在细胞内小泡。

　　在药物研发过程中高通量的基因表达分析扮演着一个重要的角色。用微矩阵，可以在基因组水平上来检测基因表达，可以确定疾病细胞的基因表达模式特征谱和鉴定潜在的药物靶标。微矩阵技术也加快了药物靶标的确认和确定二级药物靶标的效应，帮助确定药物的副作用或与其他药物的作用。

　　分子诊断学也是微矩阵技术应用的一个方面。随着微生物基因组序列作为特定的遗传标记，这些遗传标记点阵到玻璃片上制成DNA芯片。靶标DNA可以从临床测试标本中抽提出来，用一种荧光染料标记，然后与芯片上的基因组序列杂交。与芯片上的靶序列形成双聚体，在有探针的位置则有荧光信号。通过荧光信号确定靶标序列，因此来确定样本中是否存在这种微生物。微矩阵技术已经用来检测癌症细胞中的基因表达和检测乳腺癌中的BRCA1基因的突变。组织芯片也已发展起来，在同一芯片上可以同时分析多达1000个肿瘤样本。这一方法已经用来快速鉴定膀胱癌分子变异。

　　人类基因组测序工作的完成和分析序列变异的技术将促进全球的人基因的变异研究。用微矩阵技术来进行基因表达谱、基因型、突变检测和基因发现的研究，可以探知以前仅知道序列的成千个基因的功能。基于微矩阵的比较基因组学也是富有前途的，用来探索微生物感染的分子流行病学。用高密度的微矩阵寡核苷酸技术来研究Mycobacterium tuberculosis，检测小范围的基因缺失和研究与病原性减弱趋向相关的特定基因突变。

　　小范围的DNA的单个碱基的变异称为单核苷酸多态性，通过基因来能够区分不同的个体。把包含SNP的寡核苷酸序列固定到表面，每个序列含有一个特定的SNP。为了确定个体基因组中是否存在SNP，从个体中得到的DNA同芯片杂交。如果一个特定的SNP存在，则荧光标记的基因组探针在相应位置上显示阳性信号。如果不存在，则不显示信号。一个明显的缺点是对每个个体必须用一片微矩阵或芯片进行检测，这可能是一个大规模的昂贵的检测。

　　OmniScan（PolyGenyx Inc., Worcester, Massachusetts）,把多个个体的基因组而不是SNPs固定到芯片上。因此，SNP的检测通过SNPs与固体表面的靶标结合而不是基因组序列。这样允许多达10000个体的DNA固定到一片上，然后同时分析它们。这个平行化处理的手段比大群体的系列研究要有效的多。

　　SNP基因型和新出现的药物基因组学可能领导着大规模基因扫描和个体化诊疗，最适合个体基因型的医疗和用药。记录在一个生物芯片的个体遗传信息能够用来确定个体的疾病易感和最佳的治疗手段。在不久的将来，微芯片将作为病人手头或医生办公室手持式的诊断工具。自动的实验室设备可以扫描的基因组，通过计算机分析预测患者对特定药物的反应。因此，在几分钟内决定每个病人的理想治疗过程是可能的。但是在这样的技术可以使用之前，伴随着疾病遗传谱的隐私和伦理问题需要解决。

　　医学的一个崭新的世纪展现在我们面前。微矩阵技术因为它的扫描和检测能力将帮助人类实现全面的保健和个体化治疗。

摘自：《基因潮》