3分钟读懂基因芯片技术

2020.3.30

作者欧易生物

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什么是基因芯片技术？

基因芯片(Gene chip)技术是指通过微阵列(Microarray)技术将高密度DNA片段通过高速机器人或原位合成方式以一定的顺序或排列方式使其附着在如膜、玻璃片等固相表面，以同位素或荧光标记的DNA探针，借助碱基互补杂交原理，进行大量的基因表达及监测等方面研究的技术。

图1 | agilent单阵列芯片（绿色的部分为探针区域）

基因芯片技术的原理

基因芯片的测序原理是杂交测序方法，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法，在一块基片表面固定了序列已知的靶核苷酸的探针。当溶液中带有荧光标记的核酸序列与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列。据此可重组出靶核酸的序列。

下图为agilent表达谱芯片的大致原理：样本RNA经过反转录得到双链cDNA，再用体外转录的方式得到cRNA，由于体外转录过程中加入了带荧光标记的反应物，所以得到的cRNA便是带有荧光标记，再将其与芯片上的探针杂交，根据设计芯片时的探针位置和荧光强度分布比对分析得出样本的核酸序列。

图2 | agilent表达谱芯片实验原理

基因芯片的类型

基因芯片类型较为繁多，可以依据不同的分类方法进行分类，一般可分为以下几种：

按照载体上所添加DNA种类的不同，基因芯片可分为寡核苷酸芯片和cDNA芯片两种。
按照载体材料分类：载体材料可分为无机材料和有机材料两种。
按照点样方式的不同可以分为原位合成芯片、微矩阵芯片、电定位芯片三种。

基因芯片的应用

基因芯片可用于基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面，在疾病诊断和治疗、药物筛选、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防、航天等许多领域都能发挥作用。

应用实例

表达谱芯片

通过比较基因的表达差异以揭示生物学现象或疾病发生的分子机制是高通量研究的一个常用策略。利用表达谱芯片能够快速得到基因表达谱的变化，广泛应用于生物学与医学的基础研究、疾病诊断、新药开发、环境保护等许多方面。

项目文章Nat Immunol：同济大学贾鑫明教授等报道CARD9基因变异引发ABPA的发病机制

技术特点：

独特的喷墨原位合成技术
探针长度60 mer，可以兼顾灵敏性和特异性，使二者达到良好的平衡
由于采取长探针设计，有利于捕捉对生命活动有更重要意义的低丰度基因
灵活的定制方案，仅需基因组或EST序列，客户即可任意制作自己的芯片
平均CV＜10%（MAQC：Nature Biotechnology, Sept,2006）
芯片具有良好的可重复性，相关系数R2＞0.95（MAQC）；
芯片数据结果与qPCR数据结果具有良好的相关性，相关系数R2＞0.9。（MAQC）

lncRNA芯片

长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是一类转录本长度超过200nt、不编码蛋白的RNA。lncRNA能在表观遗传、转录及转录后水平上调控基因表达。lncRNA芯片可以快速、高效地筛选出与疾病或特定表型相关的差异lncRNA，为人类疾病的发生、发展和防治提供理论依据。

项目文章 | 一个新的葡萄膜黑色素瘤中具有抑癌作用的 lncRNA ZNNT1

技术特点：