基因芯片技術(shù)的應用和發(fā)展趨勢

　　隨著(zhù)基因芯片技術(shù)的日漸成熟, 在功能基因組、疾病基因組、系統生物學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應 用, 已經(jīng)發(fā)表了上萬(wàn)篇研究論文, 每年發(fā)表的論文呈現增長(cháng)的趨勢.

　　芯片制備技術(shù)極大地推進(jìn)了生物芯片的發(fā)展, 從實(shí)驗室手工或機械點(diǎn)制芯片到工業(yè)化原位合成制備, 從幾百個(gè)點(diǎn)的芯片到幾百萬(wàn)點(diǎn)的高密度芯片, 生物芯片從一項科學(xué)成為一項技術(shù), 被越來(lái)越多的研究者廣泛運用. 各個(gè)實(shí)驗室不斷產(chǎn)生海量的雜交數據, 相同領(lǐng)域的研究者需要比較不同實(shí)驗平臺產(chǎn)生的數據, 作為基于分子雜交原理的高通量技術(shù), 芯片實(shí)驗的標準化、可信度、重現性和芯片結果是否能作為定量數據等問(wèn)題成為所有的芯片使用者關(guān)心的課題. 邁阿密原則和微陣列質(zhì)量控制系列研究回答了這兩個(gè)問(wèn)題.

　　邁阿密原則(Minimum Information About a Micro- array Experiment, MIAME, 微陣列實(shí)驗最小信息量)提出了生物芯片標準化的概念, 該原則的制定使世界各地實(shí)驗室的芯片實(shí)驗數據可以為所有的研究者共 享. 同時(shí), 美國國家生物信息學(xué)中心(NCBI)和位于 英國的歐洲生物信息學(xué)研究所(EBI)也建立了GEO 公共數據庫, 接受和儲存全球研究者根據邁阿密原則提交的生物芯片數據, 對某項研究感興趣的研究人員可以下載到相關(guān)課題的芯片原始數據進(jìn)行分析.

　　2006年美國FDA聯(lián)合多個(gè)獨立實(shí)驗室進(jìn)行了MAQC系列實(shí)驗(micro array quality control, MAQC), 旨在研究目前所使用的芯片平臺的質(zhì)量控制. 該研究的12篇系列文章發(fā)表在2006年9月份的Nature Biotechnology上, 用嚴格的實(shí)驗分析了目前主流芯片平臺數據質(zhì)量, 芯片數據和定量PCR結果之間的相關(guān)性, 芯片數據均一化方法, 不同芯片平臺之間的可重現性. 證明了不同芯片平臺產(chǎn)生的數據具有可比性和可重現性, 各種芯片平臺之間的系統誤差遠遠小于人為操作和生物學(xué)樣品之間本身的差異, 肯定了芯片數據的可信性, 打消了以往對芯片數據的種種猜疑, 明確了基于雜交原理的芯片同樣可以作為一種定量的手段. 推動(dòng)了生物芯片技術(shù)在分子生物學(xué)領(lǐng)域更廣泛的應用.

　　生物信息學(xué)和統計學(xué)是在處理基因芯片產(chǎn)生的海量數據中必不可少的工具. 隨著(zhù)芯片應用的推進(jìn), 芯片數據分析的新理論和新算法不斷地被開(kāi)發(fā)出來(lái), 這些方法幫助生物學(xué)家從海量的數據里面快速篩選出差異表達的基因. 一次芯片實(shí)驗獲得的是成千上萬(wàn)個(gè)基因的表達信息, 任何一種單一的分析方法都很難將所有蘊含在數據中的生物學(xué)信息全部提取出來(lái), 從近年來(lái)生物信息學(xué)研究的趨勢來(lái)看, 目前研究的重點(diǎn)開(kāi)始轉向芯片數據儲存、管理、共享和深度信息挖掘, 旨在從芯片數據中獲得更多的生物學(xué)解釋, 而不再停留在單純的差異表達基因篩選上。

　　目前基因芯片的制備向兩個(gè)主要方向發(fā)展. 第一, 高密度化, 具體表現為芯片密度的增加, 目前原位合成的芯片密度已經(jīng)達到了每平方厘米上千萬(wàn)個(gè)探針. 一張芯片上足以分析一個(gè)物種的基因組信息. 第二, 微量化, 芯片檢測樣品的微量化, 目前芯片檢測下限已經(jīng)能達到納克級總RNA水平, 這為干細胞研究中特別是IPS干細胞對單個(gè)細胞的表達譜研究提供了可能. 另一方面, 微量化也體現芯片矩陣面積的微量化, 即在同一個(gè)芯片載體上平行的進(jìn)行多個(gè)矩陣的雜交, 大大減少系統和批次可能帶來(lái)的差異, 同時(shí)削減實(shí)驗費用.

　　微陣列技術(shù)改變了生物學(xué)研究的方法, 使得微量樣品快速高通量的分析成為可能, 從單個(gè)基因的研究迅速擴展到全基因組的系統生物學(xué)研究. 微陣列技術(shù)幫助生物學(xué)研究進(jìn)入后基因組時(shí)代, 研究成果層出不窮。

　　2001年國家人類(lèi)基因組南方研究中心韓澤廣博士研究小組利用cDNA芯片對肝癌和正常組織中的12393個(gè)基因和EST序列進(jìn)行了表達譜篩查, 其中發(fā)現了2253個(gè)基因和EST在肝癌中發(fā)生了差異表達, 并對這些差異基因的信號通路進(jìn)行了分析, 發(fā)現WNT信號通路在肝癌的發(fā)生中出現了表達異常. 2002年中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所張旭博士研究組利用表達譜芯片對大鼠外周神經(jīng)損傷模型背根神經(jīng)節的基因表達進(jìn)行了研究, 通過(guò)對7523個(gè)基因進(jìn)行表達譜篩查, 發(fā)現一批與神經(jīng)損傷和疼痛相關(guān)的基因和潛在的藥物靶點(diǎn), 并解釋了臨床上使用的Gabapentin治療疼痛的分子機制。

　　同年Nature發(fā)表的荷蘭癌癥研究所的研究小組利用表達譜芯片對乳腺癌患者5年內的轉移情況進(jìn)行分子水平的分型工作, 研究結果顯示可以利用基因表達譜的差異來(lái)預測腫瘤的預后情況. 這項工作成為用表達譜對疾病進(jìn)行分子分型和預后研究的經(jīng)典案例. 2006年根據這項研究成果生產(chǎn)的表達譜芯片成為第一張通過(guò)FDA批準進(jìn)入臨床使用的表達譜芯片, 邁出了芯片從實(shí)驗室走向臨床的第一步.

　　2003年啟動(dòng)的人類(lèi)基因組單體型計劃(Interna- tional Hapmap Project)采用了5個(gè)不同的高通量平臺進(jìn)行基因分型工作, 其中芯片完成了超過(guò)50%的工作量. 2005年Gunderson等人用DNA芯片檢測人類(lèi)基因組中的SNP位點(diǎn)， 芯片的檢測結果與傳統的基于PCR技術(shù)的基因分型具有非常好的相關(guān)性. Roch 的Amplichip CYP450檢測芯片在2005年通過(guò)了FDA批準進(jìn)入臨床使用, 用以檢測患者體內決定細胞色素氧化酶活性的多態(tài)性位點(diǎn), 預測患者藥物代謝水平的高低, 這也是第一張進(jìn)入臨床檢查的SNP芯片. 2007年Burton 等人利用微陣列檢測了1000例四種疾病患者和對照組的1500例健康人的14000多個(gè)SNP位點(diǎn), 發(fā)現了患者與健康人自身免疫方面存在的基因組SNP位點(diǎn)差異性.

　　2006年國家人類(lèi)基因組南方研究中心和生物芯片上海國家工程研究中心合作, 利用比較基因組雜交(aCGH)和表達譜芯片聯(lián)合分析了肝癌樣品中基因組拷貝數變異和基因表達量變化的相關(guān)性, 為從基因組結構變異角度研究肝癌的發(fā)生機制提供了研究基礎. 2007年Carter等人報道利用SNP芯片檢測基因組拷貝數變化(copy number variation), 發(fā)現人類(lèi)基因組中存在約12%的拷貝數變異, 這一發(fā)現遠遠出乎以前人們對人類(lèi)基因組多樣性的預測. 2008年Lee等人報道了用比較基因組雜交(aCGH)對遺傳疾病進(jìn)行分型, 發(fā)現了存在于精神發(fā)育遲緩病人染色體15q13.3區域的一個(gè)缺失, Nature Genetics刊登了這一結果.

　　小RNA或非編碼RNA(ncRNA)是新興的一個(gè)研究領(lǐng)域. 這類(lèi)小分子RNA在生理過(guò)程中扮演著(zhù)調控分子的角色, 在發(fā)育過(guò)程和人類(lèi)疾病尤其是腫瘤發(fā)生發(fā)展中起到非常重要的作用. 這些小分子核酸高度同源, 序列差異往往就是一個(gè)堿基, 且長(cháng)度在21~35堿基之間, 這對芯片檢測是一個(gè)很大的挑戰, 要求既能檢測到低分子量的目的片段, 又能區分一個(gè)堿基的差異, 芯片技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)部分解決這些問(wèn)題, 利用芯片檢測小分子RNA的表達譜成為腫瘤分型的另一種途徑, 在乳腺癌、肺癌、前列腺癌等疾病的分子分型和分子標志物尋找中取得非常好的結果.

　　DNA修飾以及DNA-蛋白質(zhì)相互作用是細胞對基因表達的調控方式. 2007年Meier等人采用ChIP-chip實(shí)驗方法, 檢測到了發(fā)生DNA損傷時(shí), 相應的修復因子在DNA上的分布. 同年, Guenther等 人用ChIP-chip實(shí)驗發(fā)現基因的轉錄起始可能不是特異的, 大多數的人類(lèi)基因包括原來(lái)被證明轉錄失活的編碼基因都能啟動(dòng)轉錄, 細胞通過(guò)對基因組的修飾來(lái)控制轉錄的延伸過(guò)程, 從而達到調控基因轉錄的目的. 2008年Lupien等人用ChIP-chip和一系列的實(shí)驗, 證實(shí)了基因組表觀(guān)遺傳學(xué)修飾能調控FoxA1, 通過(guò)FoxA1改變染色質(zhì)的結構, 從而控制基因的組織特異性表達.

　　基因芯片的應用加速了生命科學(xué)研究的進(jìn)程, 微量化并行化的分析幫助科學(xué)家從海量數據中發(fā)掘有用的信息。