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生物芯片技术研究新进展

生物芯片是指包被在硅片、尼龙膜等固相支持物上的高密度的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类以及其它生物组分的微点阵。芯片与标 记的样品进行杂交,通过检测杂交信号即可实现对生物样品的分析。目前常见的生物芯片主要有基因芯片,,蛋白质芯片、组织芯片等。基因 芯片也可以叫做 reverse northern - dot blots。目前主要有检测基因突变的基因芯片和检测基因表达水平的基因表达谱芯片。基因芯片技术 主要包括芯片微阵列制备、样品制备、杂交、信号的检测和分析等。蛋白质芯片主要是蛋白质如抗原或抗体在载体上的有序排列,依据蛋白质 分子、蛋白质与核酸相互作用的原理进行杂交、检测和分析。从不同的组织内进行活体解剖后取出圆柱状的组织,然后包埋在受体区组内,这样的石蜡块集成体便构成了组织芯片。

  1 生物芯片的应用

  1.1 检测基因的表达

  目前检测基因表达的方法主要有Northern、RT- PCR、mRNA差异显示、cDNA代表性差异分析等。这些方法都只能对少数几个基因的表达 进行分析。但生物体是一个复杂的网络,任何一个刺激都会牵动网络的许多环节。只对少数几个基因的表达进行研究显然是不够的。生物芯片 技术恰好能够从整个基因组水平上对某一刺激或疾病进行检测。例如,Bittner M等对8150个基因进行检测。发现了皮肤黑素瘤的亚种。Zhang W等发现类胰岛素生长因子结合蛋白2(IGFBP2)在神经胶质瘤和恶性胶质瘤的后期阶段表达量很大,且差异很大。Gu J等对患有ankylosing spondylitis(AS)、类风湿性关节炎(RA)和正常人的外周血单核细胞(PBMC)的基因表达进行分析后发现,患有AS的病人与患有 RA的病人的PBMC 表达模式差异很大,且极不正常。Tanaka F等用芯片分析后发现了在FAO和C2细胞系之间表达有差异的基因,并从扣除文库中用抑制扣除杂交的 方法分离到了一个cDNA克隆,该克隆在C2内的表达强于在FAO内的表达。Nakeff A等用一定浓度的XK469对结肠细胞HCT-116处理24小时后,再与 芯片杂交,结果发现在1152个基因中,有71个基因的表达量变化超过2倍以上。

  1.2 研究生物体对逆境的反应

  Ronchen Wang等用生物芯片对拟南芥在低氮(250μM)和高氮(5~lOmM)条件下基因表达的差异做了分析后发现,表达差异的基因不仅包 括以前已经报道过的基因如硝酸还原酶、硝态氮转运蛋白等,还发现了许多新的受低氮诱导表达的基因如钙离子反向运输因子、蛋白激酶以及 与代谢有关的酶(如转酮酶、天冬酰胺合成酶、组胺酸脱羧酶等)。Motoaki Seki等发现,拟南芥受旱胁迫和冷胁迫后,在1300个全长cDNA中, 有44个受旱胁迫诱导,19个受冷胁迫的诱导,有12个是控制胁迫诱导转录因子DREB1A/CBF3的靶向诱导基因。 Shinji Kawasaki等发现,水稻受 150mM Nacl胁迫15分钟后,Paokkali的转录受到正调控,大约1小时后,约有10%的基因受到显著的正调控或负调控,在对照株和试验株之间 基因表达的差异可延续数小时,但差异越来越不明显,一周后基本无差异。Oliver Thimm等发现拟南芥幼苗缺铁3天后,参与糖酵解、三羧酸循 环、氧化戊糖磷酸途径的基因以及在根中参与无氧呼吸的酶的基因表达量增加,苗中参与葡糖异生作用、淀粉分解、韧皮部装载的基因也受到 诱导表达。

  1.3 研究生物体对光线的反应

  Ligeng Ma等发现,拟南芥幼苗被远红光、红光和蓝光分别照射后,表达相似的调节基因基本占到整个基因组的三分之一,其中五分之 一的基因受到正调控,五分之二的基因受到负调控,共有26个细胞途径参与了光调节。Yukako Hihara等发现,当改变对单细胞蓝藻细菌Synechocystis sp PCC6803光合器官照射的光强时,共有160多个基因的表达出现了差异,那些参与光呼吸和光化学反应的基因在强光照射15分钟后受到负调控 ,而与二氧化碳固定和受到光抑制保护的基因则受到正调控,那些表达有利于细胞增殖的基因如参与复制、转录、翻译的基因也受到诱导表达 ,不过反应较晚。Robert Schaffer等发现拟南芥在18小时光照/6小时黑暗处理的条件下,在代表了7800个无重复基因的11521个EST片段中, 有11%的基因表达出现了差异,有2%的基因表现出有规律的变化。

  除了上述的几个方面外,生物芯片在细菌鉴定、环境检测、发现新基因等各个领域也有着广阔的应用前景。

  2 生物芯片技术的最新研究进展

  2.1 微珠芯片的发展

  生物芯片技术目前比较显著的一个研究进展是微珠芯片的研制。其原理是先建立tag文库和anti-tag文库,在体外将不同的cD NA克隆后 ,附着在不同的微珠上,微珠在系统内流动,在流动的过程中与被标记上特定颜色的探针杂交,携带特定颜色的微珠被扫描下来,进而研究基 因的表达。

  2.2 在微量mRNA的检测技术方面的进展

  以前一般认为,生物芯片技术对RNA的量有一定的要求,每次杂交一般需要50~200mg total RNA或1~2mg mRNA,要求有较多的材料。 但有时我们只能获得较少的材料,例如研究蝇或蠕虫的微小器官。这对生物芯片技术提出了更高的要求,而Hertzberg等用靶标签扩增的方法进 行分析,只需0.1 μg total RNA即可满足要求。其原理是提取RNA后,反转录为cDNA,然后将cDNA剪切为200~600bp长的片段,筛选cDNA3'端 ,用PCR扩增的方法获得足够量的cDNA,再去进行芯片分析。用多轮线性扩增的方法同样可对来自500~1000个细胞的RNA或者1~50 mg的total RNA进行分析。Karsten SL等用 TSA的方法也可以从少量组织内提取RNA进行分析。

  2.3 检测结果处理技术的进展

  如何消除芯片背景对于结果分析的影响,例如因各个操作环节的原因,芯片沾有污染物,芯片的最后结果实际上是污染物和真实信号的 综合体现,所以当用芯片上的这些结果进行分析时,哪些点是可靠的,哪些点的表达确实有差异,不同实验室、不同操作人员作出的结果如何 进行统一化、标准化,对此 Jiang L等认为,尽管生物芯片的结果存在着人为因素影响,特别是那些表达量低、差异不明显的基因。但是这些 误差可以通过传统的蛋白质分析技术如酶谱、western blot、双向电泳、免疫组织化学等进行验证。他们从同一心脏组织内取样后用这几种技 术分析后都得到了相似或互补的结果。Kenneth R. Hess等采用smoothed estimate of the interquartile range的方法研究后认为,在+/- 3XIQR曲线以外的点都是不可用的,不同实验室之间的结果比较可以用一个或一组(多于75个)持家基因的表达量作为标准。Jason Comander等研 制的芯片处理软件可以辨别结果的真伪,并能够计算芯片上各基因表达的强度。现在已经有一部分类似的软件。最近对生物芯片实验数据的分 析处理的研讨会在Duke大学举行,并对处理这类数据的一系列方法作了评价。

  2.4 蛋白质芯片的研究

  Heng Zhu等克隆了5800个酵母的开放阅读框,表达并纯化了相应的蛋白质,将这些蛋白质固定在芯片上,做成酵母的蛋白质组芯片,对 芯片进行分析后发现了许多新的与钙调蛋白、磷脂互作的蛋白。发现一个普通的蛋白结合域竟是许多钙调蛋白的结合位点。这是目前为止第一 个生物的全蛋白质组芯片。

  3 未来的发展趋势

  生物芯片在近几年发展极为迅速,但它也面临着巨大的挑战,主要体现在以下几个方面。

  (1)所需费用较高。目前生物芯片设备所需费用仍旧较高,如Affymetrix的一套系统需要13.5万美元,对普通的实验室来说开支较大, 这对于生物芯片技术的推广是一个很大的障碍。

  (2)自动化程度不高。目前生物芯片技术对操作人员仍要求较高,每个实验室都需要一个专门的技术人员去建立并操作。如何提高生物 芯片实验的自动化程度,简化操作步骤,使其缩微化,将生物芯片的各个操作环节集中到一个或少数几个仪器里边,就像目前的PCR仪那样,使 那些即使对生物芯片技术不甚熟悉的人也可以操作,这将是生物芯片技术未来的一个重要的发展方向。

  (3)目前,对于实验的许多结果还不能做出完美的解释。这将依赖于生物学的整体发展,这也促进了人们对生物学进行更深层次的研究 。

  (4)对结果的扫描、去除背景、数据处理等,目前还不能作得很完美。但随着一大批硬件、软件的开发,相信这些问题都将会被克服。

  生物芯片技术尽管存在着上面所说的巨大挑战,但生物芯片技术仍将是2l世纪极为重要的一项生物技术。随着各国研究者的不断努力, 它必将在更大的范围得到应用。

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