原创 基因芯片的工作原理

　　基因芯片（genechip）（又称DNA芯片、生物芯片）的原型是80年代中期提出的。基因芯片的测序原理是杂交测序方法，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法，在一块基片表面固定了序列已知的靶核苷酸的探针。当溶液中带有荧光标记的核酸序列TATGCAATCTAG，与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列。据此可重组出靶核酸的序列。

　　利用杂交的原理，即DNA根据碱基配对原则，在常温下和中性条件下形成双链DNA分子，但在高温、碱性或有机溶剂等条件下，双螺旋之间的氢键断裂，双螺旋解开，形成单链分子（称为DNA变性，DNA变性时的温度称Tm值）。变性的DNA黏度下降，沉降速度增加，浮力上升，紫外吸收增加。当消除变性条件后，变性DNA两条互补链可以重新结合，恢复原来的双螺旋结构，这一过程称为复性。复性后的DNA，其理化性质能得到恢复。

　　利用DNA这一重要理化特性，将两个以上不同的多核苷酸链之间由于互补性而使它们在复性过程中形成异源杂合分子的过程称为杂交（hydridizaTIon）。杂交体中的分子不是来自同一个二聚体分子。由于温度比其他变性方法更容易控制，当双链的核酸在高于其变性温度（Tm值）时，解螺旋成单链分子;当温度降到低于Tm值时，单链分子根据碱基的配对原则再度复性成双链分子。因此通常利用温度的变化使DNA在变性和复性的过程中进行核酸杂交。

　　核酸分子单链之间有互补的碱基顺序。通过碱基对之间非共价键的形成即出现稳定的双链区，这是核酸分子杂交的基础。杂交分子的形成并不要求两条单链的碱基顺序完全互补，所以不同的核酸单链彼此之间只要有一定程度的互补/顷序就可以形成杂交双链，分子杂交可在DNA与DNA、RNA与RNA或RNA与DNA的两条单链之间。利用分子杂交这一特性，先将杂交链中的一条用某种可以检测的方式进行标记，再与另一种核酸（待测样本）进行分子杂交，然后对待测核酸序列进行定性或定量检测，分析待测样本中是否存在该基因或该基因的表达有无变化。通常称被检测的核酸为靶序列（target），用于探测靶DNA的互补序列被称为探针（probe）。在传统杂交技术如DNA印迹（Southern bloTIng）和RNA印迹（Northern bloTIng）中通常标记探针，被称为正向杂交方法;而基因芯片通常采用反向杂交方法，即将多个探针分子点在芯片上，样本的核酸靶标进行标记后与芯片进行杂交。这样的优点是同时可以研究成千上万的靶标甚至全基因组作为靶序列。

　　具体地讲，利用核酸的杂交原理，基因芯片可以实现两大类的检测：RNA水平的大规模基因表达谱的研究和检测DNA的结构及组成。

　　1、固定在聚合物基片（尼龙膜，硝酸纤维膜等）表面上的核酸探针或cDNA片段，通常用同位素标记的靶基因与其杂交，通过放射显影技术进行检测。这种方法的优点是所需检测设备与目前分子生物学所用的放射显影技术相一致，相对比较成熟。但芯片上探针密度不高，样品和试剂的需求量大，定量检测存在较多问题。

　　2、用点样法固定在玻璃板上的DNA探针阵列，通过与荧光标记的靶基因杂交进行检测。这种方法点阵密度可有较大的提高，各个探针在表面上的结合量也比较一致，但在标准化和批量化生产方面仍有不易克服的困难。

　　3、在玻璃等硬质表面上直接合成的寡核苷酸探针阵列，与荧光标记的靶基因杂交进行检测。该方法把微电子光刻技术与DNA化学合成技术相结合，可以使基因芯片的探针密度大大提高，减少试剂的用量，实现标准化和批量化大规模生产，有着十分重要的发展潜力。

　　它是在基因探针的基础上研制出的，所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接一些可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。它将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析。基因芯片通过应用平面微细加工技术和超分子自组装技术，把大量分子检测单元集成在一个微小的固体基片表面，可同时对大量的核酸和蛋白质等生物分子实现高效、快速、低成本的检测和分析。

　　由于尚未形成主流技术，生物芯片的形式非常多，以基质材料分，有尼龙膜、玻璃片、塑料、硅胶晶片、微型磁珠等;以所检测的生物信号种类分，有核酸、蛋白质、生物组织碎片甚至完整的活细胞;按工作原理分类，有杂交型、合成型、连接型、亲和识别型等。

　　由于生物芯片概念是随着人类基因组的发展一起建立起来的，所以至今为止生物信号平行分析最成功的形式是以一种尼龙膜为基质的“cDNA阵列”，用于检测生物样品中基因表达谱的改变。

　　1、产前遗传性疾病检查

　　抽取少许羊水就可以检测出胎儿是否患有遗传性疾病，同时鉴别的疾病可以达到数十种甚至数百种，这是其他方法所无法替代的，非常有助于“优生优育”这一国策的实施。

　　2、对病原微生物感染诊断

　　目前的实验室诊断技术所需的时间比较长，检查也不全面，医生往往只能根据临床经验做出诊断，降低了诊断的准确率，如果在检查中应用基因芯片技术，医生在短时间内就能知道病人是哪种病原微生物感染；而且能测定病原体是否产生耐药性、对哪种抗生素产生耐药性、对哪种抗生素敏感等等，这样医生就能有的放矢地制定科学的治疗方案。

　　3、对具有高血压、糖尿病等疾病家族史的高危人群普查

　　4、接触毒化物质人群恶性肿瘤普查

　　5、其他对心血管疾病、神经系统疾病、内分泌系统疾病、免疫性疾病、代谢性疾病等，如采用了基因芯片技术，其早期诊断率将大大提高，而误诊率会大大降低，同时有利于医生综合地了解各个系统的疾病状况。

　　目前，我国尚未有较成型的基因芯片问世，但据悉已有几家单位组织人力物力从事该技术的研制工作，并且取得了一些可喜的进展。这是一件好事，标志着我国相关学科与技术正在走向成熟。基因芯片技术是一个巨大的产业方向，我们国家的生命科学、计算机科学乃至精密机械科学的工作者们应该也可以在该领域内占有一席之地。但是我们应该充分地认识到，这不是一件轻易的事，不能够蜂拥而至，不能“有条件没有条件都要上”，去从事低水平重复性的研究工作，最终造成大量人力物力的浪费。而应该是有组织、有计划地集中具有一定研究实力的单位和个人进行攻关，这也许更适合于我国国情。