DNA芯片技术——赋有时代特征的高新科学技术
作者：吴清华 马文丽 郑文岭
单位：吴清华 马文丽(第一军医大学分子生物学研究所，广州510515)；郑文岭(广州总医院 分子肿瘤学研究所，广州510010)
关键词：
解剖学报00zk05 【中图分类号】 Q52 【文献标识码】 A 【文章编号】 0529-1356(2000)增-18
DNA CHIP TECHNOLOGY——A KIND OF NOVEL SCIENCE TECHOLOGY
美国《财富》杂志载文指出[1]，在写出20世纪科技史时，有两件事值得大书特书，一件是微电子芯片，是计算机和许多电器的心脏，它改变了我们的经济和文化；另一件则是DNA芯片，它将改变生命科学的研究方式，将革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。DNA芯片技术是新的“后基因组时代(postgenome era)”计划的核心技术，它随着人类基因组计划(HGP)的实施及其取得的研究成果而发展起来，并有效地解决了如何将硬件技术利用于人类如此庞大的DNA信息处理。DNA芯片技术是一门物理学、微电子学与生命科学交叉综合的高新科学技术，它将如同计算机芯片一样，迅速普及到生命科学的各个领域，成为新世纪医学科学发展的“宠儿”，对它的研究既具有重大的学术价值；同时又具有明显的高新科技产业化的前景，是科技界、企业界和科技管理部门关注的热点。我们将对DNA芯片及其技术的产生、目前状况、主要应用及发展前景等方面作一简单的概述。
, 百拇医药
美国《财富》杂志载文指出[1]，在写出20世纪科技史时，有两件事值得大书特书，一件是微电子芯片，是计算机和许多电器的心脏，它改变了我们的经济和文化；另一件则是DNA芯片，它将改变生命科学的研究方式，将革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。DNA芯片技术是新的“后基因组时代(postgenome era)”计划的核心技术，它随着人类基因组计划(HGP)的实施及其取得的研究成果而发展起来，并有效地解决了如何将硬件技术利用于人类如此庞大的DNA信息处理。DNA芯片技术是一门物理学、微电子学与生命科学交叉综合的高新科学技术，它将如同计算机芯片一样，迅速普及到生命科学的各个领域，成为新世纪医学科学发展的“宠儿”，对它的研究既具有重大的学术价值；同时又具有明显的高新科技产业化的前景，是科技界、企业界和科技管理部门关注的热点。我们将对DNA芯片及其技术的产生、目前状况、主要应用及发展前景等方面作一简单的概述。
1.DNA芯片的产生
, 百拇医药 第1块DNA芯片是由Affymetrix公司设计建造的，它的构想来源于公司里的一次即兴建议。该建议是：“如果可以用制作半导体的方式将分子也固定在芯片上，那该有多好!”这一想法被Affymetrix公司的一个雇员,现公司总裁Stephen Foder博士所注意，并加以实现。他把具有不同才能的专家，如半导体专家和分子生物学家，精心组织起来，把原始的建议转化成了现实的产品。芯片的基本构想是将生命化学转化成固定的可控形式，以便检测特殊的物质--基因。DNA芯片最重要的意义是，按照程序编进芯片里的DNA可以从化学的高度来识别真正的基因(天然的DNA)，而且精确度相当高，以致于可以显示出被测基因的活动程度以及变异程度。这种初期的芯片可以测定基因表达程度以及某些基因是否有致癌突变；并且对被检测者是否存在潜在性恶性病变方面具有重要的作用。这样Affymetrix公司的专家创造性地将硅技术与生物学融合在一起，利用照相平版印刷、计算机、半导体、激光共聚焦扫描、寡核苷酸DNA合成、荧光标记探针杂交等技术创造了世界上第1块DNA芯片[2]。
, 百拇医药
2.DNA芯片及其技术的发展
2.1 DNA芯片及其技术：DNA芯片作为生物芯片(Bio-chip)的一种，又名基因芯片(gene chip)或DNA微集阵列(DNA microarray)，其实质是一种高密度的寡聚核苷酸(DNA探针)阵列(oligonucleotidearray)。DNA芯片技术是指采用寡核苷酸原位合成(In situ synthesis)或显微打印手段，将数以万计的DNA探针片段有序地固化于支持物表面上，产生二维DNA探针阵列，然后与标记的样品进行杂交。通过检测杂交信号来实现对生物样品的快速、并行、高效地检测或诊断，由于常用硅芯片作为固相支持物，且在制备过程中运用了计算机芯片的制备技术，所以称为DNA芯片技术[3]。因此，DNA芯片技术主要包括两大部分，一部分是DNA芯片的制备，主要包括支持物的选择与处理，探针制备及固化等过程。另一部分即DNA芯片的检测，即将分离纯化的生物样品先进行扩增、标记，然后与芯片探针阵列杂交，通过杂交信号的检测与分析，即可得出待测样品的遗传信息。
, 百拇医药
据现有文献报道，按制备方法的不同，DNA芯片可分为两种：一种是采用原位化学合成探针法制作DNA芯片[4]。其方法是利用显微光蚀刻技术，在固相支 持物(含硅玻片或硅芯片)上直接合成。在经过处理的固相支持物表面铺上一层感光材料，使芯片表面的活性基团羟基(-OH)被光敏基团保护，使多肽分子无法在其表面合成或延伸。当采用可见光或紫外光照射时，用特制光刻掩膜(photolithographic mask)保护不需合成的部位，而暴露合成部位，在光作用下去除羟基上的保护基团，游离羟基，利用化学反应加上所需引入的核苷酸，引入的该核苷酸带有光敏保护基团，可进一步重复上述光导合成反应，不断地将DNA片段合成并固化于芯片表面。另一种芯片是采用微电子芯片制备方法中的显微打印技术[5，6]。制备时用多聚赖氨酸或氨基硅烷等包被固相支持物，支持物多为玻片、硅芯片或尼龙膜。经过分区后用电脑控制的机械手有序地点上靶DNA分子，且点样很小，约为0.005 微升。应用该技术制备的芯片又名DNA微集阵列。此法制备的优点是：所使用探针组的来源比较灵活，可以是合成的寡聚核苷酸片段，亦可采用自基因组的较长的DNA片段；可以是双链，也可采用单链的DNA或RNA片段，并且此制作方法无技术垄断的限制，因而发展较为迅速。
, 百拇医药
2.2 DNA芯片的研究现状：从90年代人类基因组计划(HGP)实施以来，DNA芯片技术也随着HGP实施的节拍，显示出强大的生命力，其发展速度以及其中运用到的技术令人瞩目，展示的应用前景令人鼓舞。在世界各国的发展中，美国在此技术中当仁不让地走在世界前列，早在几年前，快速“读出”的DNA芯片能预测疾病，使得美国的科研机构、大公司和财团纷纷加盟开发和生产基因芯片。目前就有6，7家公司开发出了20多种基因芯片，带有数10万个基因探针的基因芯片已经问世，其制备基因芯片技术也各有不同。最早开始基因芯片研究的Affymetrix公司，采用光导化学合成技术把探针附着到芯片上，目前一平方厘米的芯片可容纳数10万个基因点阵；著名的INCYTE制药公司用取自细胞的基因探针代替合成探针的方法，使探针长达5 000个核苷酸；Hyseq公司所研制产品中的探针能同时确定许多碱基对的化学结构序列；美国Nanogen公司主要采用电子芯片技术；美国橡树岭国家实验室采用芯片和芯片阅读器相互结合的技术，同时用芯片检测抗体(基因的产物)等蛋白质和DNA。
, http://www.100md.com 以上公司中，Affymetrix公司一脚踏在热火朝天的半导体世界里，另一脚同时踏在DNA芯片上，其中，筛查HIV-1 耐药株蛋白酶及逆转录酶突变的DNA芯片(此芯片已上市)，可以跟踪检测艾滋病病毒拮抗药物产生的突变。Affymetrix公司的第2种芯片-筛查p53基因突变的DNA芯片，用来检测基因p53发生的变化。基因p53发生的突变与 许多癌症相关。INCYTE制药公司已生产出4种U-niGEM微集阵列，分别含10 000个独特的人cDNA克隆。大鼠肝、肾和中枢神经系统以及金葡菌、白色念珠菌等的微集阵列也陆续问世。同时该公司用3倍基因组覆盖的“鸟枪法”，完成了酵母(candida alhicans)1.7×104kb 8对染色体基因组的测序，这为该公司DNA芯片的发展奠定了基础。此外，美国圣迭戈Nanogen公司研制的一种芯片[7]，除了辩认人体基因外，还能以不同的方法检查疾病。这种以硅为基本成分的生物电芯片，将用于测定血液中的各种细菌感染，并使从血液试验到作出诊断所需的时间由数天缩短到15min。Nanogen公司的副总裁詹母斯*康奈尔宣称，他们的最终目标，是要让该产品进入寻常百姓家，届时人们只需把自己的血样放在芯片上，并通过调制解调器把数据送达医院供分析就行了。不过，该技术大概要10年左右才能实现。
, 百拇医药
随着DNA芯片技术的发展，特别是纳米材料在DNA芯片上的应用，DNA阵列将不断地向更高密度的方向发展。1cm2左右的DNA芯片上有几十万至上百万个探针位点。目前，探针位点的空间分辨率为20μm，Affymetrix公司现已在1cm2左右的芯片上固定40万个探针(20mer)阵列，每种探针的空间尺寸是10～20μm。在将来，DNA芯片也将由目前的微米级向亚微米乃至纳米级的方向发展。几年内，DNA芯片空间分辨率将达到1μm水平，相应的检测技术也将由目前的共聚焦荧光显微术向包括扫描近场光学显微术和原子力显微术在内的纳米显微术发展[8]。
随着DNA芯片技术的迅猛发展，我国DNA芯片技术也在国内的各大研究所、大学和公司相继展开，我们研究所马文丽教授将留美期间自行发明的分离显示新基因及发 现基因新功能的技术，有效地应用于DNA芯片的研制，创新地设计出一条符合我国国情的DNA芯片研制的技术路线，充分利用现有国内跨学科间的技术合作，在HIV、白血病和肝炎等常见病、多发病的基因芯片研制方面取得了良好的结果[9]。
, 百拇医药
3.DNA芯片的应用及前景
DNA芯片现在的应用主要集中于基因(疾病)诊断与基因分析(基因的表达与发现)两方面。
3.1 基因诊断：DNA芯片可用于大规模筛查由基因突变所引起的疾病，特别是肥胖病(OB)、囊性纤维变性病(CF) Huntington舞蹈症(HD) 老年痴呆病(AD)、遗传性共济失调(FRDA)等遗传病。Hacia和Collins等[10，11]用高密度DNA芯片包含96 600种20mer寡核苷酸探针，检测遗传性乳腺和卵巢癌基因BRCA1基因第11外显子全长3.45kb的突变。它采用双色荧光法，分别标记检测样品与对照样品。在检测的15例病人样品中，发现其中14例有基因突变(包括点突变、扦入及缺失等突变)，且不会出现假阳性的情况。利用这种技术，在筛查囊性纤维变性基因CFTR中的突变，以及β-株蛋白基因的突变中均取得了成功。Drobyshev[12]用10-mer寡核苷酸微集芯片检测地中海贫血患者红细胞中β-珠蛋白基因，找到了3个突变位点。前面提及的检测HIV-1的DNA芯片已上市，在基因诊断中可发挥巨大作用，与采用常规DNA序列分析的结果比较，准确率高达98%。此外，DNA芯片将在许多临床常见病的病原体的诊断方面得到广泛应用，可能成为一项常规检验和诊断技术。
, http://www.100md.com
3.2 基因分析--基因表达与发现：利用DNA芯片，可快速分析细菌[13]酵母[14，15]和动植物(包括人类)等多种生物的多个基因表达情况及生化代谢途径，Desaizieu等[13]用6 400个寡核苷酸微集阵列来检测100个肺炎球菌的基因，其敏感性比Northern印迹的敏感性要好，并测量了肺炎球菌在指数生长期和静止期基因表达的差异。
Wodicka等[14]把260 000个25-mer寡核苷酸探针排列在4个基因芯片上，基本覆盖了酵母基因组全部的开放阅读框。每个芯片上有65 000个探针位点。在丰富培养基或最基本培养基中让酵母细胞生长，比较不同培养基中基因的表达，特别是mRNA种类丰度的比较，除有已知功能的基因外，也发现了先前未鉴定过的基因。至于两种培养基中所见到的基因表达水平的改变与代谢途径的改变是否相关，需进一步证实。
现已制造出的酿酒酵母cDNA的微集阵列[15，16]，Dekisi等应用双色荧光标记来研究致瘤性的遗传基础，Welford[17]应用代表性差异分析(RDA)结合排列杂交，检测原发瘤组织中基因表达的差异等一系列研究，都是DNA微集阵列在基因表达上的应用，为生物医学、分子生物学的基础研究提供了快速、平行、敏感、高效地定性和定量的分析手段。
, 百拇医药
DNA芯片除以上两类主导应用外，临床医学、诊断、基因药物的设计(基因产业之一)、法医学、农业、环境监测、HGP的完成及HGP后的基因资源利用等方面均具有广泛的应用前景。如优生方面，目前知道有6 000多种遗传病与基因相关，对新生婴儿用DNA芯片做孕早期监测，是人口优生的有力保证。环境对人体的影响，例如花粉过敏和对环境污染的反应等都与基因有关。已知有200多个与环境有关的基因，对这些基因的全面监测，将对生态、环境控制及人口健康有重要意义。
总而言之，DNA芯片技术的深入发展和广泛应用，将开辟一个生命信息研究和应用的新纪 元。
【基金项目】国家自然科学基金资助项目(39880032),广东省自 然科学基金资助项目,(984092),广州市重大科技公关资助项目,(99Z02201)
【作者简介】吴清华(1974-)，女(汉族)，化学硕士,助教
, 百拇医药
参考文献
[1] Stipp D.[J]Fortune,1997,135(7):31-36.
[2] Editorial.[J]Nature Genetics,1996,14(4):367-370.
[3] Ramsay G.[J]Nat Biotechnol,1998,16(1):40-44.
[4] Foder SPA.[J]Science,1991,251:767-773.
[5] Macas J,Nouzov M,Galbraith DW.[J]Biotechnques,1998,25(1):106-110.
[6] Jorg D.[J]TIBTECH,1997,15(4):465-469.
, 百拇医药
[7] Ingrid Wickelgren，李声佩.[J]科学，1999，1:51-55.
[8] 李民乾.[J]科学，1998， 50 (5) 6-8.
[9] 马文丽，郑文岭.[J]中国科学基金.1999(5)，270-276 .
[10] Hacia JG,Brody LC,Chee MS.[J]Nature Genetics,1996,14(4):441-4 47.
[11] Hacia JG,Makalowski W,Edgemon K,et al.[J]Nature Genetics,1998, 18(2):155-168.
[12] Drobyshev A,Mologinia N,Skik V.[J]Gene,1997,188(1):45-52.
, http://www.100md.com
[13] De Saizieu A,Certa U,Warrington J.[J]Nature Biotechnology, 1998,16(1):45-48.
[14] Wodicka L,Dong H,Mittmann M,et al.[J]Nature Biotechnolgy 1997 ，15(13):1359-1367.
[15] DeRisi JL,Lyer VR,Brown PO.[J]Science,1997,270(5338):680-68 6.
[16] DeRisi JL,Brown PO.[J]Nature Genetics,1996,14(4):457-460.
[17] Welford SM,Gregg J,Chen E.[J]Nucleic Acids Reseach,1998,26(12) :3059-3065.
【收稿日期】2000-04-14 【修回日期】2000-08-18
请看PDF全文, 百拇医药
单位：吴清华 马文丽(第一军医大学分子生物学研究所，广州510515)；郑文岭(广州总医院 分子肿瘤学研究所，广州510010)
关键词：
解剖学报00zk05 【中图分类号】 Q52 【文献标识码】 A 【文章编号】 0529-1356(2000)增-18
DNA CHIP TECHNOLOGY——A KIND OF NOVEL SCIENCE TECHOLOGY
美国《财富》杂志载文指出[1]，在写出20世纪科技史时，有两件事值得大书特书，一件是微电子芯片，是计算机和许多电器的心脏，它改变了我们的经济和文化；另一件则是DNA芯片，它将改变生命科学的研究方式，将革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。DNA芯片技术是新的“后基因组时代(postgenome era)”计划的核心技术，它随着人类基因组计划(HGP)的实施及其取得的研究成果而发展起来，并有效地解决了如何将硬件技术利用于人类如此庞大的DNA信息处理。DNA芯片技术是一门物理学、微电子学与生命科学交叉综合的高新科学技术，它将如同计算机芯片一样，迅速普及到生命科学的各个领域，成为新世纪医学科学发展的“宠儿”，对它的研究既具有重大的学术价值；同时又具有明显的高新科技产业化的前景，是科技界、企业界和科技管理部门关注的热点。我们将对DNA芯片及其技术的产生、目前状况、主要应用及发展前景等方面作一简单的概述。
, 百拇医药
美国《财富》杂志载文指出[1]，在写出20世纪科技史时，有两件事值得大书特书，一件是微电子芯片，是计算机和许多电器的心脏，它改变了我们的经济和文化；另一件则是DNA芯片，它将改变生命科学的研究方式，将革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。DNA芯片技术是新的“后基因组时代(postgenome era)”计划的核心技术，它随着人类基因组计划(HGP)的实施及其取得的研究成果而发展起来，并有效地解决了如何将硬件技术利用于人类如此庞大的DNA信息处理。DNA芯片技术是一门物理学、微电子学与生命科学交叉综合的高新科学技术，它将如同计算机芯片一样，迅速普及到生命科学的各个领域，成为新世纪医学科学发展的“宠儿”，对它的研究既具有重大的学术价值；同时又具有明显的高新科技产业化的前景，是科技界、企业界和科技管理部门关注的热点。我们将对DNA芯片及其技术的产生、目前状况、主要应用及发展前景等方面作一简单的概述。
1.DNA芯片的产生
, 百拇医药 第1块DNA芯片是由Affymetrix公司设计建造的，它的构想来源于公司里的一次即兴建议。该建议是：“如果可以用制作半导体的方式将分子也固定在芯片上，那该有多好!”这一想法被Affymetrix公司的一个雇员,现公司总裁Stephen Foder博士所注意，并加以实现。他把具有不同才能的专家，如半导体专家和分子生物学家，精心组织起来，把原始的建议转化成了现实的产品。芯片的基本构想是将生命化学转化成固定的可控形式，以便检测特殊的物质--基因。DNA芯片最重要的意义是，按照程序编进芯片里的DNA可以从化学的高度来识别真正的基因(天然的DNA)，而且精确度相当高，以致于可以显示出被测基因的活动程度以及变异程度。这种初期的芯片可以测定基因表达程度以及某些基因是否有致癌突变；并且对被检测者是否存在潜在性恶性病变方面具有重要的作用。这样Affymetrix公司的专家创造性地将硅技术与生物学融合在一起，利用照相平版印刷、计算机、半导体、激光共聚焦扫描、寡核苷酸DNA合成、荧光标记探针杂交等技术创造了世界上第1块DNA芯片[2]。
, 百拇医药
2.DNA芯片及其技术的发展
2.1 DNA芯片及其技术：DNA芯片作为生物芯片(Bio-chip)的一种，又名基因芯片(gene chip)或DNA微集阵列(DNA microarray)，其实质是一种高密度的寡聚核苷酸(DNA探针)阵列(oligonucleotidearray)。DNA芯片技术是指采用寡核苷酸原位合成(In situ synthesis)或显微打印手段，将数以万计的DNA探针片段有序地固化于支持物表面上，产生二维DNA探针阵列，然后与标记的样品进行杂交。通过检测杂交信号来实现对生物样品的快速、并行、高效地检测或诊断，由于常用硅芯片作为固相支持物，且在制备过程中运用了计算机芯片的制备技术，所以称为DNA芯片技术[3]。因此，DNA芯片技术主要包括两大部分，一部分是DNA芯片的制备，主要包括支持物的选择与处理，探针制备及固化等过程。另一部分即DNA芯片的检测，即将分离纯化的生物样品先进行扩增、标记，然后与芯片探针阵列杂交，通过杂交信号的检测与分析，即可得出待测样品的遗传信息。
, 百拇医药
据现有文献报道，按制备方法的不同，DNA芯片可分为两种：一种是采用原位化学合成探针法制作DNA芯片[4]。其方法是利用显微光蚀刻技术，在固相支 持物(含硅玻片或硅芯片)上直接合成。在经过处理的固相支持物表面铺上一层感光材料，使芯片表面的活性基团羟基(-OH)被光敏基团保护，使多肽分子无法在其表面合成或延伸。当采用可见光或紫外光照射时，用特制光刻掩膜(photolithographic mask)保护不需合成的部位，而暴露合成部位，在光作用下去除羟基上的保护基团，游离羟基，利用化学反应加上所需引入的核苷酸，引入的该核苷酸带有光敏保护基团，可进一步重复上述光导合成反应，不断地将DNA片段合成并固化于芯片表面。另一种芯片是采用微电子芯片制备方法中的显微打印技术[5，6]。制备时用多聚赖氨酸或氨基硅烷等包被固相支持物，支持物多为玻片、硅芯片或尼龙膜。经过分区后用电脑控制的机械手有序地点上靶DNA分子，且点样很小，约为0.005 微升。应用该技术制备的芯片又名DNA微集阵列。此法制备的优点是：所使用探针组的来源比较灵活，可以是合成的寡聚核苷酸片段，亦可采用自基因组的较长的DNA片段；可以是双链，也可采用单链的DNA或RNA片段，并且此制作方法无技术垄断的限制，因而发展较为迅速。
, 百拇医药
2.2 DNA芯片的研究现状：从90年代人类基因组计划(HGP)实施以来，DNA芯片技术也随着HGP实施的节拍，显示出强大的生命力，其发展速度以及其中运用到的技术令人瞩目，展示的应用前景令人鼓舞。在世界各国的发展中，美国在此技术中当仁不让地走在世界前列，早在几年前，快速“读出”的DNA芯片能预测疾病，使得美国的科研机构、大公司和财团纷纷加盟开发和生产基因芯片。目前就有6，7家公司开发出了20多种基因芯片，带有数10万个基因探针的基因芯片已经问世，其制备基因芯片技术也各有不同。最早开始基因芯片研究的Affymetrix公司，采用光导化学合成技术把探针附着到芯片上，目前一平方厘米的芯片可容纳数10万个基因点阵；著名的INCYTE制药公司用取自细胞的基因探针代替合成探针的方法，使探针长达5 000个核苷酸；Hyseq公司所研制产品中的探针能同时确定许多碱基对的化学结构序列；美国Nanogen公司主要采用电子芯片技术；美国橡树岭国家实验室采用芯片和芯片阅读器相互结合的技术，同时用芯片检测抗体(基因的产物)等蛋白质和DNA。
, http://www.100md.com 以上公司中，Affymetrix公司一脚踏在热火朝天的半导体世界里，另一脚同时踏在DNA芯片上，其中，筛查HIV-1 耐药株蛋白酶及逆转录酶突变的DNA芯片(此芯片已上市)，可以跟踪检测艾滋病病毒拮抗药物产生的突变。Affymetrix公司的第2种芯片-筛查p53基因突变的DNA芯片，用来检测基因p53发生的变化。基因p53发生的突变与 许多癌症相关。INCYTE制药公司已生产出4种U-niGEM微集阵列，分别含10 000个独特的人cDNA克隆。大鼠肝、肾和中枢神经系统以及金葡菌、白色念珠菌等的微集阵列也陆续问世。同时该公司用3倍基因组覆盖的“鸟枪法”，完成了酵母(candida alhicans)1.7×104kb 8对染色体基因组的测序，这为该公司DNA芯片的发展奠定了基础。此外，美国圣迭戈Nanogen公司研制的一种芯片[7]，除了辩认人体基因外，还能以不同的方法检查疾病。这种以硅为基本成分的生物电芯片，将用于测定血液中的各种细菌感染，并使从血液试验到作出诊断所需的时间由数天缩短到15min。Nanogen公司的副总裁詹母斯*康奈尔宣称，他们的最终目标，是要让该产品进入寻常百姓家，届时人们只需把自己的血样放在芯片上，并通过调制解调器把数据送达医院供分析就行了。不过，该技术大概要10年左右才能实现。
, 百拇医药
随着DNA芯片技术的发展，特别是纳米材料在DNA芯片上的应用，DNA阵列将不断地向更高密度的方向发展。1cm2左右的DNA芯片上有几十万至上百万个探针位点。目前，探针位点的空间分辨率为20μm，Affymetrix公司现已在1cm2左右的芯片上固定40万个探针(20mer)阵列，每种探针的空间尺寸是10～20μm。在将来，DNA芯片也将由目前的微米级向亚微米乃至纳米级的方向发展。几年内，DNA芯片空间分辨率将达到1μm水平，相应的检测技术也将由目前的共聚焦荧光显微术向包括扫描近场光学显微术和原子力显微术在内的纳米显微术发展[8]。
随着DNA芯片技术的迅猛发展，我国DNA芯片技术也在国内的各大研究所、大学和公司相继展开，我们研究所马文丽教授将留美期间自行发明的分离显示新基因及发 现基因新功能的技术，有效地应用于DNA芯片的研制，创新地设计出一条符合我国国情的DNA芯片研制的技术路线，充分利用现有国内跨学科间的技术合作，在HIV、白血病和肝炎等常见病、多发病的基因芯片研制方面取得了良好的结果[9]。
, 百拇医药
3.DNA芯片的应用及前景
DNA芯片现在的应用主要集中于基因(疾病)诊断与基因分析(基因的表达与发现)两方面。
3.1 基因诊断：DNA芯片可用于大规模筛查由基因突变所引起的疾病，特别是肥胖病(OB)、囊性纤维变性病(CF) Huntington舞蹈症(HD) 老年痴呆病(AD)、遗传性共济失调(FRDA)等遗传病。Hacia和Collins等[10，11]用高密度DNA芯片包含96 600种20mer寡核苷酸探针，检测遗传性乳腺和卵巢癌基因BRCA1基因第11外显子全长3.45kb的突变。它采用双色荧光法，分别标记检测样品与对照样品。在检测的15例病人样品中，发现其中14例有基因突变(包括点突变、扦入及缺失等突变)，且不会出现假阳性的情况。利用这种技术，在筛查囊性纤维变性基因CFTR中的突变，以及β-株蛋白基因的突变中均取得了成功。Drobyshev[12]用10-mer寡核苷酸微集芯片检测地中海贫血患者红细胞中β-珠蛋白基因，找到了3个突变位点。前面提及的检测HIV-1的DNA芯片已上市，在基因诊断中可发挥巨大作用，与采用常规DNA序列分析的结果比较，准确率高达98%。此外，DNA芯片将在许多临床常见病的病原体的诊断方面得到广泛应用，可能成为一项常规检验和诊断技术。
, http://www.100md.com
3.2 基因分析--基因表达与发现：利用DNA芯片，可快速分析细菌[13]酵母[14，15]和动植物(包括人类)等多种生物的多个基因表达情况及生化代谢途径，Desaizieu等[13]用6 400个寡核苷酸微集阵列来检测100个肺炎球菌的基因，其敏感性比Northern印迹的敏感性要好，并测量了肺炎球菌在指数生长期和静止期基因表达的差异。
Wodicka等[14]把260 000个25-mer寡核苷酸探针排列在4个基因芯片上，基本覆盖了酵母基因组全部的开放阅读框。每个芯片上有65 000个探针位点。在丰富培养基或最基本培养基中让酵母细胞生长，比较不同培养基中基因的表达，特别是mRNA种类丰度的比较，除有已知功能的基因外，也发现了先前未鉴定过的基因。至于两种培养基中所见到的基因表达水平的改变与代谢途径的改变是否相关，需进一步证实。
现已制造出的酿酒酵母cDNA的微集阵列[15，16]，Dekisi等应用双色荧光标记来研究致瘤性的遗传基础，Welford[17]应用代表性差异分析(RDA)结合排列杂交，检测原发瘤组织中基因表达的差异等一系列研究，都是DNA微集阵列在基因表达上的应用，为生物医学、分子生物学的基础研究提供了快速、平行、敏感、高效地定性和定量的分析手段。
, 百拇医药
DNA芯片除以上两类主导应用外，临床医学、诊断、基因药物的设计(基因产业之一)、法医学、农业、环境监测、HGP的完成及HGP后的基因资源利用等方面均具有广泛的应用前景。如优生方面，目前知道有6 000多种遗传病与基因相关，对新生婴儿用DNA芯片做孕早期监测，是人口优生的有力保证。环境对人体的影响，例如花粉过敏和对环境污染的反应等都与基因有关。已知有200多个与环境有关的基因，对这些基因的全面监测，将对生态、环境控制及人口健康有重要意义。
总而言之，DNA芯片技术的深入发展和广泛应用，将开辟一个生命信息研究和应用的新纪 元。
【基金项目】国家自然科学基金资助项目(39880032),广东省自 然科学基金资助项目,(984092),广州市重大科技公关资助项目,(99Z02201)
【作者简介】吴清华(1974-)，女(汉族)，化学硕士,助教
, 百拇医药
参考文献
[1] Stipp D.[J]Fortune,1997,135(7):31-36.
[2] Editorial.[J]Nature Genetics,1996,14(4):367-370.
[3] Ramsay G.[J]Nat Biotechnol,1998,16(1):40-44.
[4] Foder SPA.[J]Science,1991,251:767-773.
[5] Macas J,Nouzov M,Galbraith DW.[J]Biotechnques,1998,25(1):106-110.
[6] Jorg D.[J]TIBTECH,1997,15(4):465-469.
, 百拇医药
[7] Ingrid Wickelgren，李声佩.[J]科学，1999，1:51-55.
[8] 李民乾.[J]科学，1998， 50 (5) 6-8.
[9] 马文丽，郑文岭.[J]中国科学基金.1999(5)，270-276 .
[10] Hacia JG,Brody LC,Chee MS.[J]Nature Genetics,1996,14(4):441-4 47.
[11] Hacia JG,Makalowski W,Edgemon K,et al.[J]Nature Genetics,1998, 18(2):155-168.
[12] Drobyshev A,Mologinia N,Skik V.[J]Gene,1997,188(1):45-52.
, http://www.100md.com
[13] De Saizieu A,Certa U,Warrington J.[J]Nature Biotechnology, 1998,16(1):45-48.
[14] Wodicka L,Dong H,Mittmann M,et al.[J]Nature Biotechnolgy 1997 ，15(13):1359-1367.
[15] DeRisi JL,Lyer VR,Brown PO.[J]Science,1997,270(5338):680-68 6.
[16] DeRisi JL,Brown PO.[J]Nature Genetics,1996,14(4):457-460.
[17] Welford SM,Gregg J,Chen E.[J]Nucleic Acids Reseach,1998,26(12) :3059-3065.
【收稿日期】2000-04-14 【修回日期】2000-08-18
请看PDF全文, 百拇医药