芯片技术的应用

第三节　DNA芯片技术的应用

DNA芯片技术不仅可以对大量的生物样品进行平行、快速、敏感、高效的基因分析，而且在基因表达分析、基因组研究、基因序列测定、基因诊断、药物研究与开发以及工农业、食品与环境监测等领域都得到了广泛应用。

一、基因表达分析

表达谱基因芯片是用于基因功能研究的基因芯片。是目前技术比较成熟，应用最广泛的一种基因芯片。其检测原理：用不同的荧光染料通过反转录反应将不同组织或细胞的mRNA分别标记成不同的探针，将探针混合后与芯片上的基因进行杂交、洗涤，用特有的荧光波长扫描芯片，得到这些基因在不同组织或细胞中的表达谱图片，再通过计算机分析出这些基因在不同组织中表达差异的重要信息。

利用表达谱芯片，可以对来源于不同个体（正常人与患者）、不同组织、不同细胞周期、不同发育阶段、不同分化阶段、不同病变、不同刺激（包括不同诱导、不同治疗阶段）下的细胞内的mRNA或反转录后产生的cDNA与表达谱基因芯片进行杂交，从而对这些基因表达的个体特异性、组织特异性、发育阶段特异性、分化阶段特异性、病变特异性、刺激特异性进行综合的分析和判断，迅速将某个或几个基因与疾病联系起来，极大地加快这些基因功能的确立，同时进一步研究基因与基因间的相互作用关系。

采用表达谱基因芯片研究基因表达与传统的Northern印迹相比有许多重要的优点：①检测系统的微型化，对样品等需要量非常小；②同时研究上万个基因的表达变化，研究效率明显提高；③能更多地揭示基因之间表达变化的相互关系，从而研究基因与基因之间内在的作用关系；④检测基因表达变化的灵敏度高，可检测丰度相差几个数量级的表达情况；⑤节约费用和时间。

二、疾病的基因诊断

从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱。从患者的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱。通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。这种基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，已在多种疾病的诊断中发挥作用。目前诊断芯片的应用主要涉及癌症、心血管疾病、血液病、遗传性疾病、神经系统疾病、部分感染性疾病、部分免疫反应相关性疾病、毒物引起的损伤等病症。诊断芯片的应用有助于医生及患者从“系统、血管、组织、细胞层次的第2阶段医学”，转变到“DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次的第3阶段医学”上来了解疾病的发生、发展过程。

三、药物筛选

如何分离和鉴定药物的有效成分是目前中药产业和传统的西药开发遇到的重大障碍，基因芯片技术是解决这一障碍的有效手段，它能够大规模地筛选，通用性强，能够从基因水平解释药物的作用机制，即可以利用基因芯片分析用药前后机体的不同组织、器官基因表达的差异。利用RNA、单链DNA有很大的柔性，能形成复杂的空间结构，更有利与靶分子相结合，可将核酸库中的RNA或单链DNA固定在芯片上，然后与靶蛋白孵育，形成蛋白质－RNA或蛋白质－DNA复合物，以便筛选特异的药物蛋白或核酸，因此芯片技术和RNA库的结合在药物筛选中将得到广泛应用。在寻找HIV药物中，Jellis等用组合化学合成及DNA芯片技术筛选了654536种硫代磷酸八聚核苷酸，并从中确定了具有XXG4XX样结构的抑制物。实验表明，这种筛选物对HIV感染细胞有明显阻断作用。生物芯片技术使得药物筛选、靶基因鉴别和新药测试的速度大大提高，成本大大降低，这一技术具有很大的潜在应用价值。

四、个体化医疗

临床上，同样药物的剂量对患者甲有效对患者乙却可能不起作用，而对患者丙则可能有不良反应。在药物疗效与不良反应方面，患者的反应差异很大。这主要是由于患者遗传学上存在差异（单核苷酸多态性，SNP），导致对药物产生不同的反应。例如细胞色素P450酶与大约25%广泛使用的药物的代谢有关，如果患者该酶的基因发生突变就会对降压药异喹胍产生明显的不良反应，有5%～10%的高加索人缺乏该酶基因的活性。现已清楚这类基因存在广泛变异，这些变异除对药物产生不同反应外，还与易患各种疾病如肿瘤、自身免疫病和帕金森病有关。如果利用基因芯片技术对患者先进行诊断，再进行处理，就可对患者实施个体优化治疗。另一方面，在治疗中很多同种疾病的具体病因是因人而异的，用药也应因人而异。例如乙肝有较多亚型，HBV基因的多个位点如S、P及C基因区易发生变异。若用乙肝病毒基因多态性检测芯片每隔一段时间就检测一次，这对指导用药防止乙肝病毒耐药性很有意义。又如，现用于治疗AIDS的药物主要是病毒反转录酶RT和蛋白酶PRO的抑制剂，但在用药3～12个月后常出现耐药，其原因是rt、pro基因产生一个或多个点突变。Rt基因4个常见突变位点是Asp67→Asn、Lys70→Arg、Thr215→Phe、Tyr和Lys219→Glu，4个位点均突变较单一位点突变后对药物的耐受能力成百倍增加。如将这些基因突变部位的全部序列构建为DNA芯片，则可快速地检测患者是这一个或那一个或多个基因发生突变，从而可对症下药，所以对指导治疗和预后有很大的意义。

五、DNA序列测定

基因芯片利用固定探针与样品进行分子杂交产生的杂交图谱而排列出待测样品的序列，这种测定方法快速而具有十分诱人的前景。Mark chee等用含135000个寡核苷酸探针的阵列测定了全长为16.6kb的人线粒体基因组序列，准确率达99%。Hacia等用含有48000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差异，结果发现在外显子11约3.4kb长度范围内的核酸序列同源性为98.2%～83.5%，提示了两者在进化上的高度相似性。

利用基因芯片测序，速度非常快。曾有报道显示，利用一种芯片在15分钟内完成了1.6×10⁴bp的测定，如果有96个这样的芯片平行工作，就相当于每天1.47×10⁸bp的分析能力。

（高红阳）

参考文献

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