基因芯片技术是20 世纪90 年代中期发展起来的一项尖端技术,已经成为生命科学及医学界的研究热点之一。作 者阐述了基因芯片的基本概念,简述了其主要分类及其在分子生物学、兽医临床中的应用及基因芯片的制备过程,并对其发 展前景作了预测及展望。

河北农业科学，２００８，１２（９）：５３－５４ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅｂｅｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ

责任编辑蔡海燕

基因芯片的技术原理及在动植物研究上的应用

杨东英

（德州学院生物系，山东省生物物理重点实验室，山东

德州

２５３０２３）

摘要：基因芯片是常见的生物芯片之一。综述了基因芯片的作用原理及其在动植物研究方面的应用。关键词：基因芯片；寡核苷酸探针；生物信息中图分类号：Ｑ７８

文献标识码：Ａ

文章编号：１００８－１６３１（２００８）０９－００５３－０２

ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＧｅｎｅｃｈｉｐＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＡｎｉｍａｌａｎｄＰｌａｎｔＳｃｉｅｎｃｅ

ＳｈａｎｄｏｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＢｉｏｐｈｙｓｉｃｓ，ＢｉｏｌｏｇｙＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＤｅｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄｅｚｈｏｕ２５３０２３，Ｃｈｉｎａ）ＹＡＮＧＤｏｎｇ!ｙｉｎｇ（

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｅｎｅｃｈｉｐｓｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｂｉｏｃｈｉｐ．Ｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆａｎｉｍａｌａｎｄｐｌａｎｔｓｃｉｅｎｃｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｇｅｎｅｃｈｉｐ；Ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｐｒｏｂｅ；Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ

生物芯片（Ｂｉｏｃｈｉｐ或Ｂｉｏａｒｒｙ）是近１５年来在生命科学领域迅速发展起来的一项高新技术。它是指根据生物分子间特异性相互作用原理，通过微加工和微电子技术将生化分析过程集成于固体芯片表面，从而实现对ＤＮＡ、ＲＮＡ、多肽、蛋白质以及其他生物成分准确、快速和大信息量的检测。目前常见的生物芯片分为３大类，即基因芯片（Ｇｅｎｅｃｈｉｐ，ＤＮＡｃｈｉｐ或ＤＮＡＭｉｃｒｏａｒ－ｒｙ）、蛋白质芯片（Ｐｒｏｔｅｉｎｃｈｉｐ）和芯片实验室（Ｌａｂ－ｏｎ－ａ－ｃｈｉｐ）。最近出现了微珠芯片（ＢｅａｄＡｒａａｙ）和ＭＯ－ＴＯＲＡＬＡ公司的便携式无线生物芯片装置。目前使用最多、最广泛、技术发展较成熟的生物芯片为基因芯片。

液滴在膜上的扩散，制作的微阵列密度很低，同时因膜的荧光背景很高，探针多用放射性同位素标记，不仅存在放射性污染，而且在研究基因差异表达时必需用２张膜，从而带来较大误差。因此，现在制作高密度的微阵列多用经修饰的载玻片，可以用荧光技术标记，用激光共聚焦扫描仪检测信号，对于基因的差异表达研究可用双荧光标记。目前国内外对载玻片的修饰多用多聚赖氨

３～４］

酸（ｐｏｌｙ"Ｌ"ｌｙｓｉｎｅ）处理。朱滨［等用氨基硅烷处理载

玻片制备基因芯片，固定效果和杂交后芯片检测灵敏度比前者好。

ＤＮＡ阵列的集成有２种不同的技术路线：（１）利用半导体激光光刻技术和照相平板印刷技术，在固相支

５］持物表面原位合成寡核苷酸探针［４～。探针的固相合成类

１基因芯片及其技术原理

基因芯片是指应用大规模集成电路的微阵列技术，将大量代表不同基因的寡核苷酸探针有序的、高密度的ｍ。排列在载玻片等载体上，点与点之间的距离﹤５００μ使用时，将样品核酸用同位素和荧光等方法标记，然后与芯片探针杂交，洗涤，杂交后芯片扫描，并配合计算机系统分析，从而迅速得到所需信息。

基因芯片是基于核酸探针杂交技术原理而研发的。根据碱基互补原理，利用核酸探针到基因混合物中识别特定基因。基因芯片技术主要包括４个技术环节：ＤＮＡ微阵列制备、样品制备、生物分子反应和信号的检测及

２］

分析［１～。

似于“搭积木”，每１个探针都是由Ａ、Ｔ、Ｇ和Ｃ自下而上堆积而成。每１层合成都需要相应的掩盖物（ｍａｓｋ）。在合成碱基单体的５＇羟基末端连上１个光敏保护基，利用汞灯发出的光束照射载体表面特定合成区域，激活这个区域，使羟基端脱保护产生自由羟基，然后１个５，端保护的核苷酸的３，端通过化学键连接上去。这个过程反复进行直至合成１整套探针；（２）ＤＮＡ微集阵列技术（ＤＮＡｍｉｃｒｏａｒｒｙ），又叫点样法，是将合成好的探针、ｃＤＮＡ或基因组ＤＮＡ通过特定的高速点样机器人直接点在芯片上，然后经过紫外线照射交联固定［６］。采用的机器人由计算机控制，有多个打印／喷印针头，将探针打印或喷印于芯片上。打印法的优点是探针密度高，通常１ｃｍ２可打印２５００个探针；缺点是定量准确性及重现性不好，打印针易堵塞且使用寿命有限。喷印法的优点是定量准确，重现性好，使用寿命长。缺点是喷印斑点大，因此探针密度低，通常１ｃｍ２只有４００点。

１．２样品制备和生物分子反应

待分析基因一般不能与芯片探针直接杂交，在杂交之前必须进行分离、扩增和标记。根据样品来源、基因含量和分析目的不同，采取的基因分离、扩增和标记的

１．１ＤＮＡ微阵列制备

芯片制备之前要对载体进行修饰，使其表面有可进行化学反应的活性集团，以便与生物分子进行偶联，并

２］使载体具有良好的稳定性和生物兼容性［。早期的微阵

列有许多采用尼龙膜或硝酸纤维素膜做固相载体，由于

收稿日期：２００８－０７－１５

基金项目：山东省自然科学基金项目（Ｑ２００７Ｄ０２，Ｙ２００７Ｄ５５）；山东省教育厅资助项目（Ｊ０７ＷＪ５０）；德州学院人才引进项目（０６ｒｃ０１２，０７ｒｃ００７）

１９７４－），女，山东嘉祥人，博士，主要从事作者简介：杨东英（动物生物技术研究工作。