基因芯片技術(shù)進展及應(yīng)用

    基因表達圖譜的繪制是目前基因芯片應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是人類基因組工程的重要組成部分，它提供了從整體上分析細胞表達狀況的信息，而且為了解與某些特殊生命現(xiàn)象相關(guān)的基因表達提供了有力的工具，對于基因調(diào)控以及基因相互作用機理的探討有重要作用。人類基因組編碼大約100000個不同的基因，因此，具有監(jiān)測大量mRNA的實驗工具很重要?；蛐酒夹g(shù)可清楚地直接快速地檢測出以1∶300000水平出現(xiàn)的mRNA，且易于同時監(jiān)測成千上萬的基因。目前，已能夠在1.6cm2面積上合成和閱讀含400000個探針的陣列，可監(jiān)測10000個基因的表達狀況。斯坦福大學(xué)的Brown用制備的酵母cDNA芯片，獲得酵母在不同細胞周期狀態(tài)以及在熱休克冷休克處理后其2473個基因的表達圖譜，較直觀地反應(yīng)了不同條件和狀態(tài)下基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控水平，從而為尋找基因調(diào)控的機理提供了一條有效的途徑。

　　定量監(jiān)測大量基因表達水平在闡述基因功能、探索疾病原因及機理、發(fā)現(xiàn)可能的診斷及治療的靶基因等方面具有重要價值的。Derisi等選用來自惡性腫瘤細胞系UACC903中的1161個cDNA克隆制成芯片，通過比較正常和腫瘤細胞的表達差異，發(fā)現(xiàn)在惡性腫瘤細胞中P21基因處于失活或關(guān)閉狀態(tài)，但在逆轉(zhuǎn)的細胞系中呈高表達。Golub等應(yīng)用cDNA 芯片檢測基因表達的差異進行癌癥的分類，成功地區(qū)分出急性髓細胞性白血病（AML）和急性淋巴細胞性白血?。ˋLL），預(yù)期這種方法還能診斷出新的白血病種類。在炎癥性疾病類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(RA)和炎癥性腸病(IBD)的基因表達研究中，可檢測出炎癥疾病誘導(dǎo)的基因如TNF-α、IL或粒細胞集落刺激因子，同時發(fā)現(xiàn)一些以前未發(fā)現(xiàn)的基因如HME基因和黑色素瘤生長刺激因子。

　　目前，大量涌現(xiàn)的人類ESTs給cDNA微陣列提供了豐富的序列資源，數(shù)據(jù)庫中ESTs代表了人類基因，因此ESTs微陣列可在缺乏其它序列信息的條件下用于基因發(fā)現(xiàn)和基因表達檢測，從而加快人類基因組功能分析的進程?；蛐酒牧硪恢匾獞?yīng)用是基因多態(tài)位點及基因突變的檢測，現(xiàn)有大量實例說明，基因組多樣性的研究對闡明不同人群和個體在疾病的易感性和抵抗性方面表現(xiàn)出的差異具有重要意義，一旦對基因組的編碼序列進行系統(tǒng)篩查，就有可能找出與疾病易感性有關(guān)的大量基因變異?；蛐酒夹g(shù)可大規(guī)模地檢測和分析DNA的變異及多態(tài)性。Wang等應(yīng)用高密度基因芯片對2.3Mb人類基因的SNP 進行篩查，確定了3241個SNPs位點，顯示出大規(guī)模鑒定人類基因型的可能。Lipshutz等人采用含18,495個寡核苷酸探針的微陣列，對HIV-1基因組反轉(zhuǎn)錄酶基因(rt)及蛋白酶基因(pro)的高度多態(tài)性進行了篩選，這些變異將導(dǎo)致病毒對多種抗病毒藥物包括AZT、ddI、ddC等表現(xiàn)出抗性，因此rt與pro的變異與多態(tài)性的檢測具有重要的臨床意義。隨著大量疾病相關(guān)基因的發(fā)現(xiàn)，變異與多態(tài)性分析將在疾病的診斷與治療方面體現(xiàn)出越來越重要的價值。Affymetrix公司已將P53 基因的全長序列和已知突變的序列制成探針集成在芯片上，可對與P53 基因突變相關(guān)的癌癥進行早期診斷。Hacia等采用含96600個20聚寡核苷酸高密度陣列對遺傳性乳腺和卵巢癌BRCA1基因3.45kb的第11個外顯子進行雜合變異篩選，結(jié)果準確診斷出15個已知變異的患者樣品中的14個，而在20個對照樣品中未發(fā)現(xiàn)1例假陽性，表明DNA芯片技術(shù)在某些疾病相關(guān)基因可能的雜合變異的檢測方面所具有的靈敏度與特異性是令人滿意的。

　　芯片技術(shù)中雜交測序技術(shù)（sequencing by hybridization,SBH）是一種新的高效快速測序方法，也是基因芯片的另一重要應(yīng)用，其原理與芯片檢測多態(tài)位點相類似，即通過與一組已知序列的核酸探針雜交進行序列測定，用熒光標記的待測序列與基因芯片上對應(yīng)位置的核酸探針產(chǎn)生互補配對時，通過確定熒光強度最強的探針位置，獲得一組序列互補的探針序列，據(jù)此可重組出靶核酸的序列。用含65536個8聚寡核苷酸的微陣列，采用SBH技術(shù)，可測定200bp長DNA序列，采用67108864個13聚寡核苷酸的微陣列，可對數(shù)千個堿基長的DNA測序。