第十三章 DNA芯片技术
第一节 概 述
一,DNA芯片技术的概念
基因芯片 (Gene chip)技术是指通过 微阵
列 (Microarray)技术将高密度 DNA片段
阵列通过高速机器人或原位合成方式以
一定的顺序或排列方式使其附着在如玻
璃片等固相表面，以荧光标记的 DNA探
针，借助碱基互补杂交原理，进行大量
的基因表达及监测等方面研究的最新革
命性技术。
DNA Chip Technology
?Solid support (glass,plastic,metal,silicon)
?Miniaturized array of DNA (genetic material)
?Work on the biochemical principle of DNA/DNA
hybridization
?Hybridized probes (DNA molecules) are fluorescently
labeled
通常用计算机硅芯片作为固相支持物，所
以称为 DNA芯片 。
DNA芯片为生物芯片的一种：
生物芯片包括：
DNA芯片
蛋白质芯片
其它芯片
?按用途分
– 样品制备芯片
– 生化反应芯片
– 检测芯片
?芯片实验室是生物芯片技术发展的
最终目标
基因芯片发展历史
Southern & Northern
Blot
Dot
Blot
Macroarray
Microarray
二,DNA芯片的主要类型
按制备方式分：
原位合成芯片,采用显微光蚀刻等技术
在特定部位原位合成寡核苷酸而制备
的芯片。 探针较短
DNA微集阵列,将预先制备的 DNA片
段以显微打印的方式有序地固化于支
持物表面而制成的芯片。 探针的来源
较灵活
Comparison of DNA Chip Technologies
Sensitivity of DNA chip based assays is a function of:
– Probe and target DNA/RNA (Complexity)
– Chip surface (autofluorescence & non-spec,bkg)
– Attachment chemistry/methodology (hyb,efficiency & crosshyb.)
– Hybridization efficiency (lots of factors)
– Detection technology (signal type,efficiency,noise)
Oligo-Chip cDNA-Chip Genomic Chip
8 n or 20 n < 2,000 n > 50,000 n
sequencing expression expression genomic analysis
第二节 DNA芯片技术的
基本原理与方法
一、芯片的制备
（一）支持物的预处理
实性材料,硅芯片、玻片和瓷片
需进行预处理，使其表面衍生出羟基、
氨基活性基团。
膜性材料,聚丙烯膜、尼龙膜、硝酸纤维
膜
通常包被氨基硅烷或多聚赖氨酸
（二）原位合成芯片的制备
1.显微光蚀刻技术
支持物表面活性基团连接有光敏保护基团
（ X）受到保护。
产率较低
原位合成 (In Situ Synthesis)
Light directed
oligonucleotide
synthesis.
A s o l i d s u p p o r t is
derivatized with a covalent
linker molecule terminated
w i t h a p h o t o l a b i l e
protecting group,Light is
directed through a mask to
de protect and activate
s e l e c t e d s i t e s,a n d
p rote cte d n uc le otide s
couple to the activated
s ite s, The p ro ce s s is
re p e a te d,a c t i va t i n g
different sets of sites and
coupling different bases
allowing arbitrary DNA
probes to be constructed at
each site.
2.压电打印法
压电毛细管喷射器
产率较高
喷墨打印技术
R e m o v a b l e T i p
O r i f i c e
H i g h - S p e e d
M i c r o S o l e n o i d
V a l v e
S y r i n g e
P u m p
S w i t c h i n g
V a l v e
R e s e r v o i r
C o n n e c t i n g
T u b i n g
C o n t r o l l e r
（三） DNA微集阵列的制备
方式,预先合成 DNA或制备基因探针然后
打印到芯片上
1,探针的制备
已克隆的基因片段
PCR,RT-PCR扩增的基因片段
人工合成的 DNA片段
单链、双链,DNA或 RNA 均可作为探针
2,打印
喷墨打印（非接触式点样）
优点、缺点
针式打印（接触式点样）
优点、缺点
针式打印法（接触式点样）
Best!
3,探针的固化
打印探针后，需要将其固定在支持物表
面，同时也要封闭支持物上未打印区
域以防止核酸样品的非特异性固定
二、样品的准备
样品的分离纯化
DNA,mRNA
扩增
PCR,RT— PCR，固相 PCR
标记等过程
荧光标记（常用 Cy3,Cy5），生物素、放射
性标记
三、分子杂交
样品与 DNA芯片上的探针阵列进行杂交。
与经典分子杂交的区别：
1,杂交时间短,30分钟内完成
2,可同时平行检测许多基因序列
影响杂交反应的因素：
盐浓度、温度、反应时间,DNA二级
结构
肽核酸 ( peptide nucleic acid,PNA)——
是一类以氨基酸替代糖 -磷酸主链的
DNA类似物，骨架由重复的 N-甘氨酸
通过酰胺键相连构成，碱基则通过甲
叉碳酰基与骨架相连。
1,PNA分子内不会形成二级、三级结构
2,DNA与 PNA杂交不需要盐离子
四、检测分析
1,激光激发使含荧光标记的 DNA片段发
射荧光
2,激光扫描仪或激光共聚焦显微镜采集
各杂交点的信号
3,软件进行进行图象分析和数据处理
Research Use——
From Sequence to function
?计算 Ratio 值 (= Cy3/Cy5)。 在 0.5-2.0 之
外的定义为在两样本中有明显差异表达。
进而获取初步功能信息。
?Clustering。
第三节 DNA芯片技术的应用
DNA测序 ；杂交测序（ SBH）
基因表达分析,
基因组研究,作图、测序、基因鉴定、基
因功能分析
基因诊断,寻找和检测与疾病相关的基因
及在 RNA水平上检测致病基因的表达
药物研究与开发,
cDNA microarray expression patterns
of small (S) and large (L) neurons
应用之一 ——
基因表达谱（ gene expression pattern)
Biological
Sample
Functional
Information
红色 上调
黄色 不变
绿色 下调
基因表达谱芯片 的应用最为广泛, 技
术上也最成熟 。 这种芯片可以检测整个
基因组范围的众多基因在 mRNA表达水
平的变化 。 它能对来源于不同个体, 不
同组织, 不同细胞周期, 不同发育阶段,
不同分化阶段, 不同生理病理, 不同刺
激条件下的组织细胞内基因表达情况进
行对比分析 。 从而对基因群在个体特异
性, 组织特异性, 发育特异性, 分化特
异性, 疾病特异性, 刺激特异性的变化
特征和规律进行描述,
?进一步阐明基因的相互协同、抑制、互
为因果等关系。有助于理解基因及其编
码的蛋白质的生物学功能，并从已知生
物学功能的基因推论未报道基因的生物
学意义。同时，还可在基因水平上解释
疾病的发病机理，为疾病诊断、药效跟
踪、用药选择等提供有效手段 。
?急性白血病、黑色素瘤、卵巢癌、乳腺
癌、前列腺癌、肝癌等表达谱芯片的研
究 。
基因芯片的优点,
1,高通量
2,大规模
3,高度平行性
4,快速高效
5,高灵敏度
6,高度自动化
第一节 概 述
一,DNA芯片技术的概念
基因芯片 (Gene chip)技术是指通过 微阵
列 (Microarray)技术将高密度 DNA片段
阵列通过高速机器人或原位合成方式以
一定的顺序或排列方式使其附着在如玻
璃片等固相表面，以荧光标记的 DNA探
针，借助碱基互补杂交原理，进行大量
的基因表达及监测等方面研究的最新革
命性技术。
DNA Chip Technology
?Solid support (glass,plastic,metal,silicon)
?Miniaturized array of DNA (genetic material)
?Work on the biochemical principle of DNA/DNA
hybridization
?Hybridized probes (DNA molecules) are fluorescently
labeled
通常用计算机硅芯片作为固相支持物，所
以称为 DNA芯片 。
DNA芯片为生物芯片的一种：
生物芯片包括：
DNA芯片
蛋白质芯片
其它芯片
?按用途分
– 样品制备芯片
– 生化反应芯片
– 检测芯片
?芯片实验室是生物芯片技术发展的
最终目标
基因芯片发展历史
Southern & Northern
Blot
Dot
Blot
Macroarray
Microarray
二,DNA芯片的主要类型
按制备方式分：
原位合成芯片,采用显微光蚀刻等技术
在特定部位原位合成寡核苷酸而制备
的芯片。 探针较短
DNA微集阵列,将预先制备的 DNA片
段以显微打印的方式有序地固化于支
持物表面而制成的芯片。 探针的来源
较灵活
Comparison of DNA Chip Technologies
Sensitivity of DNA chip based assays is a function of:
– Probe and target DNA/RNA (Complexity)
– Chip surface (autofluorescence & non-spec,bkg)
– Attachment chemistry/methodology (hyb,efficiency & crosshyb.)
– Hybridization efficiency (lots of factors)
– Detection technology (signal type,efficiency,noise)
Oligo-Chip cDNA-Chip Genomic Chip
8 n or 20 n < 2,000 n > 50,000 n
sequencing expression expression genomic analysis
第二节 DNA芯片技术的
基本原理与方法
一、芯片的制备
（一）支持物的预处理
实性材料,硅芯片、玻片和瓷片
需进行预处理，使其表面衍生出羟基、
氨基活性基团。
膜性材料,聚丙烯膜、尼龙膜、硝酸纤维
膜
通常包被氨基硅烷或多聚赖氨酸
（二）原位合成芯片的制备
1.显微光蚀刻技术
支持物表面活性基团连接有光敏保护基团
（ X）受到保护。
产率较低
原位合成 (In Situ Synthesis)
Light directed
oligonucleotide
synthesis.
A s o l i d s u p p o r t is
derivatized with a covalent
linker molecule terminated
w i t h a p h o t o l a b i l e
protecting group,Light is
directed through a mask to
de protect and activate
s e l e c t e d s i t e s,a n d
p rote cte d n uc le otide s
couple to the activated
s ite s, The p ro ce s s is
re p e a te d,a c t i va t i n g
different sets of sites and
coupling different bases
allowing arbitrary DNA
probes to be constructed at
each site.
2.压电打印法
压电毛细管喷射器
产率较高
喷墨打印技术
R e m o v a b l e T i p
O r i f i c e
H i g h - S p e e d
M i c r o S o l e n o i d
V a l v e
S y r i n g e
P u m p
S w i t c h i n g
V a l v e
R e s e r v o i r
C o n n e c t i n g
T u b i n g
C o n t r o l l e r
（三） DNA微集阵列的制备
方式,预先合成 DNA或制备基因探针然后
打印到芯片上
1,探针的制备
已克隆的基因片段
PCR,RT-PCR扩增的基因片段
人工合成的 DNA片段
单链、双链,DNA或 RNA 均可作为探针
2,打印
喷墨打印（非接触式点样）
优点、缺点
针式打印（接触式点样）
优点、缺点
针式打印法（接触式点样）
Best!
3,探针的固化
打印探针后，需要将其固定在支持物表
面，同时也要封闭支持物上未打印区
域以防止核酸样品的非特异性固定
二、样品的准备
样品的分离纯化
DNA,mRNA
扩增
PCR,RT— PCR，固相 PCR
标记等过程
荧光标记（常用 Cy3,Cy5），生物素、放射
性标记
三、分子杂交
样品与 DNA芯片上的探针阵列进行杂交。
与经典分子杂交的区别：
1,杂交时间短,30分钟内完成
2,可同时平行检测许多基因序列
影响杂交反应的因素：
盐浓度、温度、反应时间,DNA二级
结构
肽核酸 ( peptide nucleic acid,PNA)——
是一类以氨基酸替代糖 -磷酸主链的
DNA类似物，骨架由重复的 N-甘氨酸
通过酰胺键相连构成，碱基则通过甲
叉碳酰基与骨架相连。
1,PNA分子内不会形成二级、三级结构
2,DNA与 PNA杂交不需要盐离子
四、检测分析
1,激光激发使含荧光标记的 DNA片段发
射荧光
2,激光扫描仪或激光共聚焦显微镜采集
各杂交点的信号
3,软件进行进行图象分析和数据处理
Research Use——
From Sequence to function
?计算 Ratio 值 (= Cy3/Cy5)。 在 0.5-2.0 之
外的定义为在两样本中有明显差异表达。
进而获取初步功能信息。
?Clustering。
第三节 DNA芯片技术的应用
DNA测序 ；杂交测序（ SBH）
基因表达分析,
基因组研究,作图、测序、基因鉴定、基
因功能分析
基因诊断,寻找和检测与疾病相关的基因
及在 RNA水平上检测致病基因的表达
药物研究与开发,
cDNA microarray expression patterns
of small (S) and large (L) neurons
应用之一 ——
基因表达谱（ gene expression pattern)
Biological
Sample
Functional
Information
红色 上调
黄色 不变
绿色 下调
基因表达谱芯片 的应用最为广泛, 技
术上也最成熟 。 这种芯片可以检测整个
基因组范围的众多基因在 mRNA表达水
平的变化 。 它能对来源于不同个体, 不
同组织, 不同细胞周期, 不同发育阶段,
不同分化阶段, 不同生理病理, 不同刺
激条件下的组织细胞内基因表达情况进
行对比分析 。 从而对基因群在个体特异
性, 组织特异性, 发育特异性, 分化特
异性, 疾病特异性, 刺激特异性的变化
特征和规律进行描述,
?进一步阐明基因的相互协同、抑制、互
为因果等关系。有助于理解基因及其编
码的蛋白质的生物学功能，并从已知生
物学功能的基因推论未报道基因的生物
学意义。同时，还可在基因水平上解释
疾病的发病机理，为疾病诊断、药效跟
踪、用药选择等提供有效手段 。
?急性白血病、黑色素瘤、卵巢癌、乳腺
癌、前列腺癌、肝癌等表达谱芯片的研
究 。
基因芯片的优点,
1,高通量
2,大规模
3,高度平行性
4,快速高效
5,高灵敏度
6,高度自动化
