生物芯片及其应用

null生物芯片及其应用生物芯片及其应用 什么是芯片？什么是芯片？内容内容介绍目前主要的生物芯片类型 介绍达谱芯片的实验过程一、生物芯片的类型一、生物芯片的类型表达谱芯片 CGH芯片 芯片测序 MicroRNA芯片 ChIP-chip （ ChIP-seq） 蛋白质芯片 组织芯片核酸水平非核酸水平CGH芯片工作原理CGH芯片工作原理CGH芯片应用（I）CGH芯片应用（I）精确、定量地研究人类基因组微缺失和微扩增及其定位方面的应用，如肿瘤诊断，发育方面研究的应用。基因组差异的发现基因组差异的发现在双倍体生物中（假设Ratio=Cy5/Cy3, Cy5标记实验基因组，Cy3标记正常基因组） log2Ratio>0.58 或者 log2Ratio<-1则认为有差异 即：Ratio=3/2 或者 Ratio<1/2则认为有差异CGH芯片的应用（II）CGH芯片的应用（II）微生物进化及功能分析中的应用： 原理：根据已经测序的参考基因组（reference genome）的基因来设计探针，和待测菌株的基因组DNA杂交，就可以检测出该菌株基因组是否含有某基因。并且可以根据菌株间基因的相似度来反映其进化关系，也就是说两个菌株共享的基因越多，则两个菌株亲缘关系越近。 优点：方便快捷准确 ；避免了同一物种的重复测序，能够节省大量的时间和经费null 金黄色葡萄球菌不同菌株的致病基因的组合 Joseph L. DeRisi - UCSFJoseph L. DeRisi - UCSFnullXMRV Detection by DNA Microarrays and RT-PCR芯片测序芯片测序基因芯片的测序原理是杂交测序，即通过与一组已知序列的核苷酸探针进行杂交完成核苷酸 序列 测定。用图5-9说明测序原理。在一块基片表面固定已知序列的八核苷酸探针，当溶液中带 有荧光标记的核苷酸序列TATGCAATCTAG与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补杂交时， 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 苷酸待测序列。DNA芯片测序技术包括芯片制备、样品制备、分子杂交、检测分析、序列 分析和组装等过程。 （Solid测序-35bp）芯片测序的特点芯片测序的特点优点；陕速、成本低、易于自动化。 缺点：第一，由于众多寡核苷酸的组成各不相同，其最佳杂交条件难于统一，易出现假阳性和假阴性的杂交结果；第二，根据获得的数据无法准确地排列重叠序列；第三，如果检测核酸存在重复序列，那么重叠的探针不是唯一的，重组探针无法再继续。所以，这种方法不能用于含有许多内部重复和简单序列单元的DNA。但这种方法用于再测序，即确认已知的核酸序列和研究单核苷酸多态性(SNP)的检测或突变具有其他方法不可比拟的优越性。突变分析、疾病分子诊断、基因分型。MicroRNA 芯片MicroRNA 芯片MicroRNA芯片检测可用于发现样本间差异表达MicroRNA，从而发现调控基因mRNA转录后调控的关键因素。 样本间差异基因由mRNA是否翻译成蛋白质以发挥功能，将受到差异MicroRNA的调控影响。实验表型的差异将体现在差异基因功能分布中，通过构建差异MicroRNA与差异基因功能间的相互作用网络实验流程实验流程1、小分子量的RNA提取； 2、加Poly(A)尾巴； 3、利用Oligo(dT)的连接作用加入荧光； 4、杂交； 5、图像，数据获取。ChIP-chip(ChIP-seq)ChIP-chip(ChIP-seq)ChIP-chip的基本原理是在生理状态下把胞内蛋白质和DNA甲醛作用下交联在一起，用超声波打碎为0.2-2 kb的染色体小片段，然后通过目的蛋白质特异性抗体沉淀此复合物，获得特异地作用于目的蛋白结合的DNA片段，通过对目的片段的纯化与检测，从而获得蛋白质与DNA相互作用的信息。其中共沉淀的 DNA和合适的对照用荧光标记，加在载玻片上，用于芯片分析。使用外源性DNA作为背景，免疫沉淀DNA与作为背景的对照进行比较，可以找到特异性蛋白在基因组中的结合位点。 二、表达谱芯片介绍二、表达谱芯片介绍cDNA芯片的合成方法 样本的处理方法 数据分析方法简介 芯片种类及应用介绍null基因芯片的合成方法基因芯片的合成方法原位合成芯片 光蚀刻原位合成法、电化学原位合成法、喷墨式原位合成法 点样芯片 针点式合成法、喷墨式合成法 原位光刻合成基因芯片原理原位光刻合成基因芯片原理nullarray probesA 3×3 arrayCGACGACACGAGCGAGCNucleotide Deposition Sequence ACG探针合成探针合成探针合成array probesA 3×3 arrayCGACGACACGAGCGAGCNucleotide Deposition Sequence ACGnullA 3×3 arrayCGACGACACGAGCGAGCNucleotide Deposition Sequence ACGAC探针合成完成的芯片点样芯片点样芯片预先合成探针 Oligo探针 （GoArrays） PCR产物探针 （Primegens） 点制芯片 预先合成好的探针通过类似于喷墨打印机的技术喷射到玻璃基片表面，或者用针头点在片基上。 芯片探针的设计芯片探针的设计PCR产物设计软件（Primegens） http://compbio.ornl.gov/structure/primegens/ Oligo芯片设计软件 （GoArrays） http://www.isima.fr/bioinfo/goarrays/点制过程点制过程点片后检查点片后检查样本的处理方法样本的处理方法按照样本分 DNA、RNA、DNA-蛋白复合体 按照标记信号分子划分 荧光燃料、生物素、放射性元素 按照标记方法分 cDNA 直接标记(间接标记)、PCR扩增标记、末端标记Cy3和Cy5Cy3和Cy5Cy3激发波长532nmCy5激发波长635nm芯片实验流程芯片实验流程1、分离RNA（10µg） 2、标记 3、杂交 （预杂交） 4、洗片 5、扫描null图像扫描图像扫描Cy5Cy3nullD.radiodurans 全基因组芯片D.radiodurans whole genome microarray建议建议 1、如可取小量修饰好的玻片进行点样并测试整个后处理和杂交过程。 2、一旦玻片点样后，应对小量点样玻片进行后处理，后处理是否成功可用已知应产生良好结果的 RNA制备的探针进行测试来判定。 3、所有阵列在杂交前应扫描一次，弃去那些有明显污点的玻片，并弃去那些杂交前背景就高的阵列。简单的数据分析主要步骤简单的数据分析主要步骤 数值提取 归一化 差异基因筛选 数据读取（Genepix Pro）数据读取（Genepix Pro）数据框获取： 1、人工获取； 2、Gal文件获取Flag=-50Flag=-100Genepix Pro一些直观数据Genepix Pro一些直观数据背景数据的获取背景数据的获取局部法 全局法 the global background values are either calculated from a mean or median of all local values 阴性对照法 Negative controls are features that are known not to be reactive, so that they can relied upon always to give the same intensity values independent of the experiment 2个像素 其他的信号点 背景取值区This region has a diameter that is three times the diameter of the corresponding feature-indicator芯片背景芯片背景为什么要归一化？ 为什么要归一化？ 由于样本差异、荧光标记效率和检出率的不平衡，需对cy3和cy5的原始提取信号进行均衡和修正才能进一步分析实验数据，Normalization正是基于此种目的。归一化的方法归一化的方法一组内参照基因（如一组看家基因,外参基因）校正Microarray所有的基因、阳性基因、阴性基因、单个基因。 Lowess LowessLowessA=1/2Log2RG M=Log2R/G归一化的类型归一化的类型With-in slide normalization globe normalization print-tip normalization Between slides normalizationGlobe normalizationGlobe normalizationPrint-tip normalizationPrint-tip normalizationBetween slides normalizationBetween slides normalization差异基因筛选差异基因筛选原理：采用cy3/cy5的ratio值对差异基因进行 判断，或采用统计方法对差异基因进行统计推断。 方法：倍数法：cy3/cy5比值大于2或者小于 0.5 Z值法： Z=(X-μ)/σ 作用：发现两个样本间的差异表达基因，便于后续分析。Z值法Z值法 对于处在同一张芯片上的基因，一般我们认为只有小部分基因是有表达差异（在对芯片原始数据做标准化的时候，我们也曾提到过这个假设） ，同时信号比值在经过对数转换后，整张芯片上的基因比值近似于正态分布。我们计算每个基因的 Z 值，Z=(X-µ)/ơ，其中，X 表示该基因的表达比值，µ表示整张芯片上所有基因的比值平均数，ơ 表示整张芯片上所有基因的方差。当 Z 值大于 2 或者-2时表示基因表达值在平均比值加 2 倍方差以外，这样的差异就具有统计学意义，可以认为是差异表达基因。 虽然 Z 值法可以帮助我们发现差异基因，但是它也有很大的缺点，如果在给定的基因内不存在差异表达基因，当我们利用 Z 值方法来发掘差异基因时，它总能给出 Z 值的绝对值大于或者小于 2 的基因，即增加了假阳性率。同时，当我们关于“整张芯片中只有小部分基因是有表达差异”的假设不成立，既有大量基因有表达差异的时候，Z 值法又会增加假阴性率。 重复实验的差异基因判别方法 重复实验的差异基因判别方法 差异基因的筛选(t-test)差异基因的筛选(t-test) C D E小结小结芯片数据处理，过程不是越复杂越好（因为每一步处理都会带进新的误差）； 不要执迷于软件的选择（各式各样的软件实在太多），选择通用的软件比较好（Limma，TM4）； 不要过分执着于个别基因的情况，应该重视一类基因表达的模式（pattern）情况。 高级数据处理高级数据处理Clustering and pattern detection（芯片研究往往是一个动态的过程） Discovery of common sequences in co-regulated genes Linkage between gene expression data and gene sequence/function/metabolic pathways databases 聚类的实例聚类的实例芯片实验往往会研究一个动态的过程，如药物处理的时间段，药物处理的浓度梯度，还有就是不同的方法处理后的差异，等等。 右图--电离辐射后的细菌（D.radiodurans出现明显的生长停滞）为什么要聚类为什么要聚类芯片数据的聚类分析目前应用较为广泛，它根据芯片的基因表达数据（通常是经过标准化后的数据），利用相应的算法，将基因分到各个类别中。在这个阶段，我们的注意力不是集中为某几个或者某些基因的表达情况，而是发现整个转录组在一定条件下的转录模式。 一般认为在同一类中的基因有相同或相似的生物学功能。聚类的基因表达谱为研究人员提供基因表达差异，启动子分析，表达模式研究等等便利的条件。Normalized dataNormalized dataD. radiodurans recovery after ionizing radiation 聚类常用的软件聚类常用的软件聚类的类型聚类的类型Herarchical Clustering Link similar genes, build up to a tree of all K-means Self Organizing Maps (SOM) Principle Component ( PCA ) Herarchical Clustering中的距离计算Herarchical Clustering中的距离计算Herarchical Clustering中的聚类的方法Herarchical Clustering中的聚类的方法nullD. radiodurans 实例D. radiodurans 实例MotifMotif相当有用的一个芯片处理系统相当有用的一个芯片处理系统http://gepas3.bioinfo.cipf.es/null利用已知路径分析芯片数据 利用已知路径分析芯片数据 GO（http://www.geneontology.org）采用阶层系统对基因进行分类，将功能一致的基因放在同一层 KEGG（http://www.genome.jp/kegg/）建立了蛋白间相互作用的网络（途径和复合体），包含各种各样的细胞过程。 GenMAPP（http://www.genmapp.org）提供了与AC号相对应的途径图 BIOCARTA（http://bioarta.com/gene/）是一个动态显示基因间的相互作用。 常用的公共数据库nullPathwayExplorerPathwayExplorerGenMAPPGenMAPP芯片数据的验证芯片数据的验证Real-time PCR 其他一些生化实验 对于原核生物，还可以参考同一个操纵子基因的变化情况 same operonmulti - subunit complex常见的芯片数据库常见的芯片数据库GEO at the NCBI Array Express at EMBL浙江加州国际纳米技术研究院-分子诊断平台 浙江加州国际纳米技术研究院-分子诊断平台 基因治疗载体的构建； HIV，XMRV病毒的致病机理研究nullnull分子诊断平台(PI: Samson A Chow)Agilent 扫描仪 点样仪，生物分析仪SNP检测服务基因表达谱检测病原体检测芯片遗传病、 家族病 基因定位基因芯片平台病毒分析平台affymetrix平台易感基因 检测如： 高血压 冠心病发病机理 研究病原体 与宿主相 互关系微生物检测 （食品、 卫生 环境） 药物靶点 寻找肿瘤 标志物早期 诊断依据个性化用 药药物敏 感性HIVXMRVHIV致病机制研究基因治疗载体构建XMRV致病机制研究易感人群的 鉴定病毒倾向性 整合宿主 基因组位点 的鉴定基因转导 工具发明nullnull