基因芯片實驗原理與方法

本實驗的目的是學會cDNA芯片的使用方法。了解各種基因芯片的基本原理和優缺點。

基因芯片這一技術方法在1991年的Science雜志上被首次提出，其高通量、并行檢測的特點適應了分析人類基因組計劃所提供的海量的基因序列信息的需要，可以說，人類基因組計劃是基因芯片技術發展的原因，而對深人研究基因突變和基因表達的有效方法的需求又是促進基因芯片技術發展的動力。

由于基因芯片高速度、高通量、集約化和低成本的特點，基誕生以來就受到科學界的廣泛關注，正如晶體管電路向集成電路發展的經歷一樣，分子生物學技術的集成化正在使生命科學的研究和應用發生一場革命。

根據固定在芯片載體上的核酸分子的不同，基因芯片可以分為cDNA芯片和寡核昔酸芯片等。寡核昔酸芯片主要基于光引導聚合技術，該技術是Affymetrix公司開發的ZL技術，由于其突出的優點，正得到越來越廣泛的應用。

二、原理

基因芯片(Gene Chip,DNA Chip)，又稱DNA微陣列(DNA Micorarray)，是指按照預定位置固定在固相載體上很小面積內的千萬個核酸分子所組成的微點陣陣列。在一定條件下，載體上的核酸分子可以與來自樣品的序列互補的核酸片段雜交。如果把樣品中的核酸片段進行標記，在專用的芯片閱讀儀上就可以檢測到雜交信號。

基因芯片技術主要包括四個主要步驟：芯片制備、樣品制備、雜交反應和信號檢測和結果分析。

1、芯片制備-目前制備芯片主要以玻璃片或硅片為載體，采用原位合成和微矩陣的方法將寡核苷酸片段或cDNA作為探針按順序排列在載體上。芯片的制備除了用到微加工工藝外，還需要使用機器人技術。以便能快速、準確地將探針放置到芯片上的指定位置。

2、樣品制備-生物樣品往往是復雜的生物分子混合體，除少數特殊樣品外，一般不能直接與芯片反應，有時樣品的量很小。所以，必須將樣品進行提取、擴增，獲取其中的蛋白質或DNA、RNA，然后用熒光標記，以提高檢測的靈敏度和使用者的安全性。
 
3、雜交反應-雜交反應是熒光標記的樣品與芯片上的探針進行的反應產生一系列信息的過程。選擇合適的反應條件能使生物分子間反應處于最佳狀況中，減少生物分子之間的錯配率。

4、信號檢測和結果分析-雜交反應后的芯片上各個反應點的熒光位置、熒光強弱經過芯片掃描儀和相關軟件可以分析圖像，將熒光轉換成數據，即可以獲得有關生物信息。

目前，基因芯片主要由寡核苷酸芯片和cDNA芯片兩大類組成。以下分別介紹這兩類芯片的基本原理和特點：

寡核苷酸芯片(Oligonucleotides Chip)

概念：是指做在固相載體上的寡核苷酸微陣列。其制備方法以直接在基片上進行原位合成為主、有時也可以預先合成，再按照制備cDNA芯片的方法固定在基片上。原位合成(In situ synthesis)是目前制造高密度寡核苷酸芯片最為成功的方法，有幾種不同的工藝，其中最著名的是美國Affymetrix公司(http://www.affymetrix.com)的ZL技術——光引導化學合成法(Light-directed chemical synthesis process)。產品名為GeneChip。