基因芯片技术在医药学中的应用(1)
2001年2月，《Nature》和《Science》上分别发表了人类基因组工作框架图(the draft genome)[1,2]，这是人类基因组计划(Human Genome Project，HGP)实施以来所取得的最重大进展，也是生命科学领域中的一个里程碑，同时也预示着基因组研究已开始从结构基因组学向功能基因组学(Functional Genomics)和蛋白质组学(Proteomics)过渡和转化，标志着“后基因组时代(postgenomic age)”的来临。在功能基因组学研究中，基因表达分析占有非常重要的地位。作为基因表达的第一步，获取转录水平的有关信息不仅对研究基因调节网必不可少，而且对了解结构基因编码蛋白质的生物活性和功能都是至关重要的。
基因芯片技术是近年来发展起来的一种新的基因表达研究方法。它利用核酸杂交的原理，在固体支持物上一次检测成百上千,乃至上万种基因的表达水平，具有传统方法无可比拟的高通量(high throughput)特点，达到了一定意义上的全基因表达谱的检测。因此，基因芯片技术为了解生命复杂体系提供了技术平台。
一、基因芯片技术及其数据分析
1995年，斯坦福大学的Schena等[3]在《Science》上撰文，首先采用cDNA microarray技术检测了拟南芥菜植株根与叶的45个基因的表达差异，这是第一篇关于完整DNA 芯片的研究论文，同时也为基因表达研究带来了一场革命。从此以后，基因芯片技术得到了广泛关注，并已成为当今世界高度交叉、高度综合的前沿研究热点。该技术横跨生命科学、信息科学、物理、工程学、数学、计算机科学以及微电子技术等多个领域，利用芯片技术中信息的集约化和平行处理原理，一次可以获取成千上万基因的表达信息，具有传统生物技术无可比拟的高通量特点。自基因芯片技术问世以来，其制作工艺不断更新，不仅集成技术不断提高，而且检测的灵敏度和特异性亦有了长足发展。现已逐步应用到了基础医学研究、药物筛选和临床疾病诊断中。可以说，基因芯片技术目前已成为了功能基因组学研究的基本方法之一。
基因芯片,也叫做基因微矩阵(DNA microarray)，是将大量靶基因片段高密度、有序地排列并固定在固相载体上，与标记的样品分子进行杂交，通过检测每个样品分子的杂交信号强度，得到样品分子的数量和序列信息。所用的基片材料有玻璃、尼龙膜、硝酸纤维膜和滤纸等，其中以前两种应用最为广泛。标记方法主要有荧光标记、放射性同位素标记和酶学标记等。基片上的DNA可以采用寡核苷酸或cDNA， 固定在载体上的方法有原位合成和合成点样。以上方法各有优缺点(Table 1)。新近还开发出了微流管芯片(Flow-Thru chip)[4]和电子芯片[5]等。
二、基因芯片的应用
基因芯片技术具有同时快速分析数以千计基因信息的特点，这种高通量的优势使其在实际应用中显示出了巨大的威力。基因芯片技术的应用主要分为两大类：一是用于研究基因型，二是用于分析基因表达。前者是利用基因芯片进行序列分析，包括研究基因的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms，SNPs)和杂交测序等；后者则是研究基因的功能，利用基因表达的微阵列分析，获取某一组织或细胞在特定的生理或病理状态或外界干预时基因表达谱的信息，定量描述基因的表达水平，不仅有助于未知功能基因的筛选和未知基因的克隆，而且还可以根据基因表达模式(gene expression pattern)，并通过适当的生物信息学(Bioinformatics)分析方法，获取基因与基因之间相互关系的重要信息。现在已逐渐应用到医学基础研究、临床医学诊断、药物筛选、指导临床用药，等方面。(侯嵘 张幼怡)