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DNA微阵列

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视频动画展示了如何使用微阵列从唾液样本中读取DNA代码

DNA微阵列(DNA microarray)又称DNA阵列DNA芯片,比较常用的名字是基因芯片(gene chip)。是一块带有DNA微阵列(microarray)的特殊玻璃片或硅晶圆片,在数平方公分之面积上布放数千或数万个核酸探针;检体中的DNA、cDNA、RNA等与探针结合后,借由荧光或电流等方式侦测。经由一次测验,即可提供大量基因序列相关信息。它是基因组学遗传学研究的工具。研究人员应用基因芯片就可以在同一时间定量的分析大量(成千上万个)的基因表达,具有快速、精确、低成本之生物分析检验能力。

生产方式

基因芯片的制作方式基本可分为以下几型:

斯坦福型

由美国史丹佛大学开发的cDNA 阵列的制作方法,将预先合成好的核酸探针布放于玻片载体上。 优点:设计较长的探针长度可增加专一性。 缺点:芯片密度较光罩法低,并须有良好的保存设计。

这种方法又可分为点制法与印制法。

点制法是小规模生产或实验室自制的低密度芯片,以机械手臂上带有毛细作用的细微刻痕的钢针,将核酸探针溶液点放于玻片或聚酯纤维膜上。成本低廉,适合探针数少或制造需求量不大的状况。

印制法是从喷墨打印机的方式变化而来,用加热气泡的方式将核酸探针置于玻片上, 使用制作~3万点的基因芯片;例如PhalanxJet。

原位合成法

原位合成(in situ synthesised),将核苷酸分子依序列利用不同方法控制化学反应, 一个一个接上去形成核酸序列, 快速生产精准(定位准确且位向均一)、超高密度 (100万-200万点)芯片. 合成法主要有二种, 一种为利用喷墨技术, 将核苷酸如墨水般, 喷入特定位置进行固相合成 (solid phase phosphoramidite chemistry), 另一种为使用电子芯片制作的光刻法(Photolithography),利用光罩控制反应光化学反应进行合成. 喷墨合成技术因合成时只需输入座标与核酸序列, 不需前置成本, 所以应用弹性高, 主要合成探针长度为60-mer以上, 且因反应体积大更可合成至300-mer用于合成生物学用途. 光刻法由于制程、光罩成本、光照反应效率等因素,这种方法做出的探针长度约在25-mer以下,因探针短所以同一个基因需要多个探针对应,以避免误判。喷墨合成技术使用厂商有 Agilent, 光刻法使用厂商主要有 Affymetrix、Roche NimbleGen (Nimblegen已于2013年停止生产芯片)等。

微珠布放法

Illumina公司有其独特的微珠阵列,将核酸探针制作于微小颗粒上,再将其布放于特制玻片。

qPCR array

在96孔或384孔标准PCR盘或384孔微流体盘中,预先合成好即时PCR引物与探针,将检体注入后以定量PCR方式进行反应与侦测分析。分析量比传统芯片少,属于低密度阵列,但兼具准确定量与定性;并且设备与技术门槛低,一般分子生物实验室即可自行操作。 新的中密度qPCr array:OpenArray是Applied Biosystems(应用生命系统公司,隶属于Life Technologies集团)产品,在玻片大小的疏水性基板中分为数十个矩阵区域;矩阵内为亲水性表面的微孔,有一组预先合成好的引物与探针。现有的规格是每片玻片有12*4(48)个矩阵区域,每个区域为8*8(64)孔。预计2012年有新的12K芯片与专用机台上市。

原理

DNA微阵列的核心原理为两股DNA之间的杂交,透过互补的核酸序列配对专一性在互补的核酸碱基对间产生氢键键结。在核苷酸序列中大量互补的碱基对以非共价键键结方式的两股更紧密地结合。杂交后洗去非专一性键结序列,只留下有效配对的两股。目标序列上产生萤光讯号在探针序列上,建立于在杂交条件(例如温度)和杂交清洗后键结。讯号的总强度来自一个点,取决于目标样品与该点结合探针的量。微阵列利用相对定量,比较相同讯号强度在不同条件下和已知位点的讯号强度。

微阵列原理
微阵列原理

种类

已商业化的芯片

DNA微阵列(DNA-microarray):检测样本的genomic DNA,作为基因型别鉴定之检测。

cDNA微阵列(cDNA-microarray):或称expression array,将样本中的mRNA转为cDNA后进行检测,作为基因表达程度之检测与比较。

miRNA微阵列(miRNA-microarray):检测miRNA相关的基因调控机制。

ChIP-chip英语ChIP-chip :chromatin immunoprecipitation on chip

高通量核酸定序芯片:合并特殊PCR反应及微阵列侦测技术转作为基因定序之用。

临床检测微管芯片:将低密度微阵列附于特制检验管底部,用以检测特定病原或癌症指标的试剂组。

CGH芯片:染色体芯片(array Comparative Genomic Hybridization,aCGH或称Chromosomal Microarray Analysis,CMA)

SNP芯片:可检测基因多型性(Polymorphisms)。

基因甲基化芯片:检测DNA被甲基化修饰程度。

近商业化或开发中的芯片

电子定序芯片:结合奈米电机与电子学做为快速高通量核酸定序用的芯片。

微流体学(microfluidics)之临床诊断用芯片。

参见

参考文献

外部链接

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DNA微阵列
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