基因芯片原理



基因芯片原理

  导读:基因芯片又叫DNA芯片,之所以叫基因芯片是因为该芯片是负责检测和分析基因的,本文将讲述基因芯片的工作原理以及应用。

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基因芯片原理

基因芯片原理——介绍

  基因芯片(gene chip)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。

基因芯片原理

  如上图:在一块基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针。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。

基因芯片原理——原理

  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。

基因芯片原理

  利用DNA这一重要理化特性,将两个以上不同来源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。

基因芯片原理

  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,所以不同来源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。

基因芯片原理

  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。

基因芯片原理——类型

  基因芯片又称为DNA微阵列(DNA microarray),可分为三种主要类型:

  Ⅰ 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。

基因芯片原理

  Ⅱ 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。

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