基因芯片技术
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2020-12-13
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基因芯片技术基因芯片技术
随着人类基因组（测序）计划（Human genome project）的逐步实施以及分子生物学相关学科的迅猛发展，越
来越多的动植物、微生物基因组序列得到测定。其中，序列信息全部已知的微生物就有11 种，其它几类生物包
括大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇、小鼠等也进行了部分序列的测定，基因序列数据库正在以前所未有的速度迅
速增长。然而怎样去研究如此众多基因的生物信息及其在生命过程中所担负的功能，成了全世界生命科学工作
者共同的课题。 这就为大量DNA、RNA序列测定及其分析提出了更高的要求。基因芯片(Gene chip) 又称
DNA芯片（DNA Chip）或生物芯片(Biological chip，不过该
随着人类基因组（测序）计划（Human genome project）的逐步实施以及分子生物学相关学科的迅猛发展，越来越多的
动植物、微生物基因组序列得到测定。其中，序列信息全部已知的微生物就有11 种，其它几类生物包括大肠杆菌、酵母、线
虫、果蝇、小鼠等也进行了部分序列的测定，基因序列数据库正在以前所未有的速度迅速增长。然而怎样去研究如此众多基因
的生物信息及其在生命过程中所担负的功能，成了全世界生命科学工作者共同的课题。
这就为大量DNA、RNA序列测定及其分析提出了更高的要求。基因芯片(Gene chip) 又称DNA芯片（DNA Chip）或生物
芯片(Biological chip，不过该词尚包括肽芯片等其它类型)，它的出现为解决此类问题提供了光辉的前景。早在八十年代初有
人就曾设想利用计算机半导体技术生产基因芯片以对人类基因大量的遗传信息进行分析和检查，但直到光引导原位合成(light-
directed synthesis)高密度探针技术问世之后才使该设想逐步成为现实，并迅速应用到分子生物学的多个领域，得到了科学界
的高度重视。现在全世界已有十多家公司专门从事基因芯片的研究和开发工作，而且已有较为成型的产品和设备问世。这些公
司主要以美国的Affymetrix公司为代表，该公司聚集有多位计算机、数学和分子生物学专家，其每年的研究经费在一千万美元
以上，且已历时六七年之久，拥有多项专利。产品即将或已有部分投放市场，产生的社会效益和经济效益令人瞩目。
所谓基因芯片（Gene chip）是指将大量探针分子固定于支持物(substrate)上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂
交信号的强弱进而判断样品中靶分子的数量。由于用该技术可以将极其大量的针探同时固定于支持物上，所以一次可以对大量
的DNA分子或RNA分子进行检测分析，从而解决了传统核酸印迹杂交（Southern Blotting 和Northern Blotting等）技术复杂、
自动化程度低、检测目的分子数量少、效率低(low through-put)等不足，而且，通过设计不同的探针阵列(array)，用一定的分
析方法，还可以用于序列分析，称作杂交测序（Sequencing by hybridization，SBH）。
一、基因芯片的主要类型：
基因芯片以其片基(substrate)的不同可以分为无机片基和有机合成物片基。前者主要包括半导体硅片和玻璃片，其上的探
针主要以原位聚合的方法合成，后者主要有特定孔径的硝酸纤维膜和尼龙膜，其上的探针主要是预先合成后通过特殊的微量点
样装置或仪器滴加到片基上去（如表1）。不过，也有人(Robert S. Matson)等以聚丙烯膜为支持物用传统的亚磷酰胺固相法原
位合成高密度探针序列。
表1 基因芯片的主要类型及其简要特点
片基 探针固定方式 探针密度 显色及检测方式
钢性片基如玻片、半导
体硅片等
原位合成（in situ
synthesis）
高
荧光，激光共聚焦扫
描、定量分析；生物
传感器等
薄膜片基如NC、Nylon
膜等
预先合成后点样(off-
chip synthesis)
低 荧光
二、探针阵列（array）的形成方式：
已有多种方法可以将寡核苷酸或短肽固定到固相支持物上，这些方法可分为原位合成(in situ synthesis)与预先合成然后点
样(off-chip DNA synthesis)两种。原位合成（in situ synthesis）主要是指光引导聚合（Light-directed synthesis）技术（表
2），当然该技术除了可以用于合成寡聚核苷酸外还可以用于寡肽的合成。光引导聚合技术是照相平板印刷技术
(photolithography)与固相合成技术、计算机技术以及分子生物学等多学科相互渗透结果。照相平板印刷技术中可用光引导形
成电子线路（electrical circuits），利用类似的道理可在固相支持物上同时合成出大量不同的化合物。其原理如图1。
表2 光引导聚合技术简要说明
支持物 相关技术 照射光 去保护方法及效率 每步聚合效率
硅片或玻片 照相平板 可见光 酸去保护（98 %） 98 %
（需预处理） 印刷技术 电子射线等 光去保护（92-94%） 92-94%
图1 光引导聚合技术原理图
合成前，先使玻璃支持物氨基化，然后用光不稳定保护基（photo labile protecting group）将NH
2
基保护起来。每次选择
适当的挡光板（mask）使需要聚合的部位透光，不需发生聚反应的部分不透光。这样，光通过挡光板照射到支持物上，受光
的部分NH
2
解保护。合成所用单体分子一端按传统固相合成方法活化另一端则受光敏保护基团保护。这时，用单体分子去和支
持物上解保护的氨基反应，偶联后的部位将仍旧带上保护基团。类似地，进行以后其它反应直至得到目的寡聚体序列。每次通
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