淺析基因芯片技術(shù)的研究進(jìn)展及其應(yīng)用前景

摘 要：基因芯片技術(shù)是上世紀(jì)90年代中期以來(lái)，快速發(fā)展起來(lái)的一門分子生物學(xué)高新技術(shù)。基因芯片這個(gè)概念是由Fodor等在1991年提出的。基因芯片技術(shù)用途廣泛，在生命科學(xué)研究及實(shí)踐、醫(yī)學(xué)科研及臨床、藥物設(shè)計(jì)、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域中有著廣泛的用武之地。基因芯片技術(shù)將為人類社會(huì)帶來(lái)廣泛深刻的變革，促進(jìn)人類早日進(jìn)入生物信息時(shí)代。

關(guān)鍵詞：基因芯片；基因診斷；進(jìn)展

基因芯片是生物芯片技術(shù)的一種，它是隨著"人類基因組計(jì)劃"的進(jìn)展而發(fā)展起來(lái)的，它對(duì)人類的未來(lái)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，既具有重大的基礎(chǔ)研究?jī)r(jià)值，又具有明顯的產(chǎn)業(yè)化前景。基因芯片技術(shù)將為“后基因組計(jì)劃”時(shí)期基因功能的研究提供強(qiáng)有力的工具，將會(huì)使基因診斷、藥物篩選、給藥個(gè)性化等方面取得重大突破。

一、基本概念

基因芯片（gene chip）也叫DNA芯片、DNA微陣列（DNA microarray）、寡核苷酸陣列（oligonucleotide array），是指通過(guò)微陣列技術(shù)，將高密度DNA片段陣列通過(guò)高速機(jī)器人，或原位合成方式以一定的順序或排列方式，使其附著在如玻璃片等固相表面，以熒光標(biāo)記的DNA探針，借助堿基互補(bǔ)雜交原理，進(jìn)行大量的基因表達(dá)及監(jiān)測(cè)等方面研究的最新革命性技術(shù)。由于常用硅芯片作為固相支持物，且在制備過(guò)程運(yùn)用了計(jì)算機(jī)芯片的制備技術(shù)，所以稱之為基因芯片技術(shù)。

二、基因芯片技術(shù)的分類

基因芯片技術(shù)的分類方法很多，最常用的是按載體上所點(diǎn)探針的長(zhǎng)度分為兩種：一是cDNA芯片，由 Schena 建立，是將特定的 cDNA經(jīng) PCR 擴(kuò)增后借助機(jī)械手直接點(diǎn)到基片上；二是寡核苷酸芯片，由Fodo 首先報(bào)道， 用照相平板印刷術(shù)和固相合成技術(shù)在基片上生成寡核苷酸， 分為長(zhǎng)寡核苷酸芯片和短寡核苷酸芯片，與cDNA芯片制作的一個(gè)主要不同點(diǎn)是多一步轉(zhuǎn)錄獲得cRNA的過(guò)程。目前，關(guān)于不同基因芯片技術(shù)的靈敏度和特異性仍存在爭(zhēng)議。起初，人們認(rèn)為長(zhǎng)寡核苷酸芯片和cDNA芯片有更高的特異性和靈敏度，現(xiàn)在看來(lái)，短寡核苷酸芯片同樣有很高地特異性，因?yàn)槊恳粋€(gè)基因代表11-20個(gè)寡核苷酸。

三、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

美國(guó)于上世紀(jì)末年正式啟動(dòng)基因芯片計(jì)劃， 國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）、能源部、商業(yè)部、司法部、國(guó)防部、中央情報(bào)局等均參與了此項(xiàng)目。世界大型制藥公司尤其對(duì)基因芯片技術(shù)用于基因多態(tài)性、疾病相關(guān)性、基因藥物開(kāi)發(fā)和合成或天然藥物篩選等領(lǐng)域感興趣， 都已建立了或正在建立自己的芯片設(shè)備和技術(shù)。目前，國(guó)際上已經(jīng)有許多從事生物芯片研究的公司， 每家公司的芯片技術(shù)都各具特色，應(yīng)用目的也不盡相同， 如加利福尼亞州森尼維爾的 Hyseq 公司，聲稱擁有最快的基因分析器， 它們由機(jī)器人制造， 機(jī)器人把 DNA 探針滴到過(guò)濾紙上，其 DNA 陣具有優(yōu)勢(shì)， 破譯 DNA 的速度快。Affymetrix 公司以開(kāi)發(fā)的判斷是否攜帶愛(ài)滋病病毒逆轉(zhuǎn)錄酶基因的 HIV 芯片，確定有無(wú)癌癥可能的 P53 基因芯片以及診斷藥物代謝缺乏癥的細(xì)胞色素 P450芯片，現(xiàn)以應(yīng)用于臨床；通過(guò)開(kāi)發(fā)對(duì)雜合基因丟失和等位基因不平衡分析，來(lái)預(yù)測(cè)和診斷腫瘤的芯片也正在臨床研究之中。一些具有實(shí)力的大型制藥公司對(duì)基因芯片用于基因多態(tài)性、疾病相關(guān)性、基因藥物開(kāi)發(fā)和合成或天然藥物篩選等領(lǐng)域都非常感興趣。相繼投入巨資開(kāi)發(fā)基因芯片技術(shù)和相應(yīng)的設(shè)備， 嘗試?yán)没蛐酒夹g(shù)開(kāi)展新藥的超高量篩選和進(jìn)行藥理遺傳學(xué)、藥理基因組學(xué)的研究。

我國(guó)有著豐富的基因資源， 基因研究具有特別重要的商業(yè)價(jià)值， 基因芯片技術(shù)的成熟和發(fā)展將大大促進(jìn)我國(guó)人類基因組計(jì)劃的進(jìn)程。目前國(guó)內(nèi)掀起基因芯片的研究熱潮，國(guó)內(nèi)已有多家大學(xué)和研究所開(kāi)始和正在從事生物芯片的研發(fā)工作，國(guó)家研究經(jīng)費(fèi)投入大幅增加。科學(xué)家提出以生物芯片技術(shù)為核心的各相關(guān)產(chǎn)業(yè)正在全球崛起， 世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)始有計(jì)劃、大投入、爭(zhēng)先恐后的對(duì)該領(lǐng)域知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行保護(hù)。 國(guó)務(wù)院已經(jīng)在清華大學(xué)成立了國(guó)家生物芯片工程中心，并對(duì)生物芯片的系統(tǒng)研發(fā)作傾斜性支持。 我國(guó)已開(kāi)發(fā)出用于診斷肝炎的芯片數(shù)種，如一種用于乙型肝炎病毒分型的芯片；一種用于乙型肝炎病毒基因，丙型肝炎病毒基因診斷的雙檢芯片。另外，用于性病， 且一次可同時(shí)檢測(cè)10種以上性病原體和用于α、β型地中海貧血診斷的基因芯片都正在申報(bào)新藥之中，用于胎兒神經(jīng)管畸形基因診斷的芯片正處在研究階段。

四、應(yīng)用

（一）在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用

一是在繪制基因缺失圖譜和基因表達(dá)分析中的應(yīng)用。通過(guò)繪制基因圖譜同時(shí)可以在混合的 B 型流感病毒株中區(qū)分各個(gè)基因節(jié)段， 還可以確定疫苗候選株， 這對(duì)研制基因疫苗具有重大意義。

二是在基因突變檢測(cè)中的應(yīng)用。由于一些病毒性疾病診斷及治療有很大困難。選擇固定在硅片微通道的寡核苷酸探針，用探針來(lái)識(shí)別流感病毒各亞型血凝素基因和神經(jīng)氨酸酶基因。根據(jù)雜交結(jié)果分析病毒的變異基因，進(jìn)而確定抗原成分的變異情況，從而可以鑒定病毒亞型。

三是在生命科學(xué)研究中其他方面的應(yīng)用。應(yīng)用微生物芯片監(jiān)測(cè)電化學(xué)誘導(dǎo)產(chǎn)生的有機(jī)突變物質(zhì)；依據(jù)微流體學(xué)原理， 利用熒光原位雜交和基因芯片對(duì)海洋細(xì)菌群的分析；在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)調(diào)控， 生物發(fā)育和分化，生物衰老和凋亡，生物體內(nèi)生理和生化研究，尋找新基因等方面都得到了廣泛應(yīng)用。

（二）在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用

一是在臨床診斷與檢測(cè)中的應(yīng)用。由于基因芯片所需樣品和劑量極小， 而且快速省時(shí)、無(wú)污染、診斷結(jié)果精確又適合于自動(dòng)化操作， 很適合疾病診斷與檢測(cè)。目前， 已應(yīng)用寡核苷酸微陣列診斷細(xì)菌性急性上呼吸道傳染病、病毒性疾病、炎癥、癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等方面的診斷與檢測(cè)。

二是在尋找藥物作用靶位點(diǎn)中的應(yīng)用。所謂“尋找藥物作用靶位點(diǎn)”是指在基因組范圍內(nèi)對(duì) DNA 進(jìn)行測(cè)序和基因表達(dá)分析， 從蛋白質(zhì)或核酸中找出最佳的藥物作用靶點(diǎn)， 進(jìn)行藥物篩選。

三是在醫(yī)學(xué)研究中其他方面的應(yīng)用。基因芯片在醫(yī)學(xué)研究中其他方面已有廣泛地應(yīng)用， 如遺傳病的遺傳機(jī)制研究及診斷、病原體及分型診斷、耐藥性檢測(cè)、藥物篩選、各類實(shí)質(zhì)性器官移植和骨髓移植中受體的配型、自身免疫病、毒理學(xué)研究等方面。

綜上， 核酸芯片技術(shù)與基因組和后基因組時(shí)代的需求相適應(yīng)， 其以本身具有的革命性的優(yōu)勢(shì)， 作為一種理想的強(qiáng)有力的分析工具， 必將在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)及其他相關(guān)科學(xué)中扮演重要角色。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

徐瀛（1998-），女，黑龍江哈爾濱人，江蘇科技大學(xué)蠶研所生物技術(shù)學(xué)院本科在讀，研究方向：分子生物學(xué)。