随着人类基因组的测序工作的完成，以及动物、植物、细菌及病毒基因组等测序的工作陆续开展，一个庞大的基因数据库即将建成。如何开发利用各种基因组的研究成果，将基因的序列与功能关联起来，认识基因在表达调控、机体分化等方面的生物学意义；揭示人类遗传进化、生长发育、分化衰老等许多生命现象的奥秘；深入了解疾病的物质基础及发生、发展过程；开发基因诊断、治疗和基因工程药物并用来预防、诊断和治疗人类几千种遗传性疾病，将成为现代生物学面临的最大挑战。因此，必须开发出更为有效的软硬件技术来适应并利用如此庞大的DNA信息。
1 基因芯片技术
20世纪90年代初，适应“后基因组时代”的到来而产生的一项技术——基因芯片技术，在美国率先启动。我国基因芯片技术的研究开发起于90年代中期。基因芯片技术的成熟和应用将给本世纪的疾病诊断和治疗、新药开发、司法鉴定、农作物的优育优选、食品卫生监督、环境监测、国家安全防卫、航天探索等领域带来一场革命；同时将为人类提供高速、平行采集和分析个体生物信息强有力的技术手段，为生物信息学的研究提供一个重要的信息采集和处理平台。 基因芯片的概念来自计算机芯片，基因芯片(DNAchip、GeneChip、DNAmicroarray)，像计算机上的微处理器一样，能快速地解读遗传基因的碱基排列，使瞬间破译碱基序列成为现实。基因芯片实质是一种高密度的核酸阵列，将大量特定序列的DNA片段(探针)有序地固定在玻片或硅片上，与标记的样本分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度获取样本分子数量和序列信息，可以大量、快速、平行地对DNA进行测定和定量分析。早在20世纪80年代，Bains等将短的DNA片段固定到支持物上，借助杂交方式进行序列测定。但基因芯片从实验室走向工业化得益于探针固相原位合成技术和照相平板印刷技术的有机结合以及激光共聚焦显微技术的引入。它使得合成、固定高密度的数以万计的探针分子切实可行，而且借助激光共聚焦显微扫描技术可以对杂交信号进行实时、灵敏、准确检测和分析。正如电子管电路向晶体管电路和集成电路发展所经历的过程，核酸杂交技术集成化促使分子生物学技术正发生着一场革命。芯片技术可以一次性对样本中大量序列进行检测和分析，从而解决了传统核酸印迹杂交（SouthernBlotting和NorthernBlotting等）技术操作繁杂、自动化程度低、分析序列数量少、检测效率低等不足。而且，通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的应用价值，如基因表达谱分析、突变检测、多态性分析、基因组文库作图以及杂交测序等，目前已在生物医学领域表现出巨大的应用前景。
1.1 基因芯片的制作原理
目前已有多种方法可以将寡核苷酸或短肽固定到固相支持物上。这些方法总体上有两种，即合成后点样与原位合成（insitusynthesis）。支持物有多种如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等，但需经特殊处理。点样用的支持物为使其表面带上正电荷以吸附带负电荷的探针分子，通常需经氨基硅烷或多聚赖氨酸等处理；作原位合成的支持物在聚合反应前要先使其表面衍生出羟基或氨基并与保护基建立共价连接。 常用的将寡核苷酸或短肽固定到固相支持物上的方法是合成后点样。探针合成用传统的DNA或多肽固相合成仪完成，合成后用自动化微量点样装置将其以较高的密度点到硝酸纤维膜、尼龙膜或玻片上。支持物事先经过特定处理，例如包被以带正电荷的多聚赖酸或氨基硅烷。 另一种方法是原位合成法，主要为光引导聚合技术（light-directedsynthesis），它不仅可用于寡聚核苷酸的合成，也可用于合成寡肽分子。光引导聚合技术是照相平板印刷技术(photolithography)与传统的核酸、多肽固相合成技术相结合的产物。固相合成技术是当前多肽、核酸人工合成中普遍使用的方法，技术成熟且已实现自动化。二者的结合为合成高密度核酸探针及短肽阵列提供了一条快捷的途径。该技术主要步骤为，首先使支持物羟基化，并用光敏保护基团将其保护起来。每次选择适当的掩膜（mask）使需要聚合的部位透光，其它部位不透光。这样，光通过掩膜照射到支持物上，受光照部位的羟基解保护。因为合成所用的单体分子一端按传统固相合成方法活化，另一端受光敏保护基的保护，所以发生偶联的部位反应后仍旧带有光敏保护基团。因此，每次通过控制掩膜的图案（透光与不透光）决定哪些区域被活化以及所用单体的种类和反应次序，就可以实现在待定位点合成大量预定序列寡聚体的目的。该方法的主要优点是可以用很少的步骤合成极其大量的探针阵列。 除了光引导原位合成技术外，有的公司如美国IncytePharmaceuticals等使用压电打印法(piezoelectricprinting)进行原位合成。其装置与普通的彩色喷墨打印机相似，所用技术也是常规的固相合成方法。做法是将墨盒中的墨汁分别用4种碱基合成试剂所替代，支持物经过包被后，通过计算机控制喷墨打印机将特定种类的试剂喷洒到预定的区域上。冲洗、去保护、偶联等则与一般的固相原位合成技术一样。
1.2 基因芯片的检测原理
目前，由于灵敏度所限，样本制备时需要在标记和分析前对样本进行适当的扩增。不少人试图解决这一问题，如MosaicTechnologies公司引入了固相PCR方法，引物特异性强，无交叉污染并且省去了液相处理的烦琐；LynxTherapeutics公司引入的大规模并行固相克隆法(massively parallel solid-phase cloning)，可在一个样本中同时对数以万计的DNA片段进行克隆，且无需单独处理和分离每个克隆。 基因芯片显色和分析测定方法主要为荧光法。目前主要的检测手段是激光共聚焦显微扫描技术，可以对高密度探针阵列每个位点的荧光强度进行定量分析。对于以核酸杂交为原理的检测技术，荧光检测法的主要过程为：首先用荧光素标记扩增（也可以用其它放大技术）的靶序列或样本，然后与芯片上的大量探针杂交，将未杂交的分子洗去，用荧光扫描仪对芯片进行扫描，采集每点荧光强度并对其进行分析比较。由于所使用的标记物不同，因而相应的检测方法也各具特色。大多数研究者使用荧光标记物，也有一些研究者使用生物素标记并联合抗生物素结合物检测DNA化学发光,通过检测标记信号来确定DNA芯片杂交图谱。
2 基因芯片技术的应用
基因芯片的应用领域很广，涉及到生物学的各个领域。以基因芯片在生物医学的应用为例，说明基因芯片的主要应用。
2.1 基因芯片技术与基因功能研究
研究基因功能，确定基因与基因间的相互关系，从而揭示疾病发生、发展的分子机制是医学研究的重要内容，也是基因表达芯片最重要的用途之一。如采用基因表达芯片研究类风湿关节炎、肠炎基因的特征性表达活性。分别用Cy3和Cy5对类风湿关节炎组织和肠炎黏膜的cDNA进行标记后，与这两种疾病发生过程中已知可能起作用的探针阵列进行杂交，发现了已知炎症相关基因，如肿瘤坏死因子、白介素和粒细胞集落刺激因子在组织中有表达，还发现一些以前未知的与炎症相关基因的表达，如人基质金属弹性蛋白酶和黑素瘤生长刺激因子。同时，与一个来自外周血基因文库的阵列作这两种病变状态基因差异表达的比较，发现在类风湿关节炎组织中金属蛋白酶组织抑制物、铁蛋白轻链和锰超氧化物歧化酶表达明显升高。通过该研究，确定了许多基因与这两种病变的关系，为治疗和发病机制的研究提供了新的思路。
2.2 基因芯片技术与基因发现
寻找和鉴定疾病相关基因是从分子水平上研究疾病，揭示发病机制的一项重要基础性研究工作。利用基因芯片进行新基因克隆时，固定在芯片上的探针是某些cDNA文库内的cDNA片段。研究这些cDNA片段对应基因的差异性表达，就可能选到差异表达相关基因。如Schena等通过双色差示表达系统，研究人T淋巴细胞在热休克条件下和佛波酯作用下1 046个未知序列的cDNA基因诱导表达的情况，并对诱导表达的cDNA进行测序，再与已知基因进行比较，结果发现，热休克诱导了已知的热休克蛋白基因的表达，其中包括分子伴侣和分子降解的中间体，同样佛波酯引起了佛波酯调节基因的信号传导途径特征基因的表达，如激活细胞的磷酸酯酶和细胞因子B1等，另外还发现3个低表达的已知基因和4个低表达的新基因可能与该途径有关。
2.3 基因芯片技术与药物作用机制研究
基因芯片是研究药物作用机制潜在的强有力工具。如有两项研究分别报道了高密度微阵列芯片在检测药物对模式生物酵母基因表达影响中的应用。Gray等报道通过测定药物使用前后mRNA水平的变化，分析了激酶抑制剂对酵母大规模基因组的影响。而Marton等报道了免疫抑制药物FK506的基因表达模式特征，与此相同的模式在携带FK506靶基因无效突变的酵母细胞中也能观察到，从而确定了一种基因功能通过遗传和药理作用消除后可导致基因表达的类似变化。Clarke等用基因芯片研究了肠癌患者化疗前和治疗期间肿瘤基因表达情况，发现丝裂霉素C和5-氟尿嘧啶治疗均可使糖苷合成酶和尿嘧啶-DNA糖基酶的基因表达增加。该研究提示，这类研究既有助于阐明药物的作用机制，也有助于确定药物作用的靶基因，为新药研究提供线索。
2.4 基因芯片技术与毒理学研究
Nuwaysir等研制了包括涉及细胞凋亡、DNA复制和修复、氧化应激/氧化还原内稳态、过氧化物酶体增殖反应、二恶英/多环芳烃反应、雌激素反应、看家基因、癌基因和抑癌基因、细胞周期控制、转录因子、激酶、磷酸酶、热休克蛋白、受体、细胞色素P450等共2 090个基因的毒理芯片(ToxChipv1.0)，该芯片既可用于毒物的检测和遗传多态性的检测，又可用于受检毒物的毒作用机制的研究。Holden等从人和小鼠文库中选择约600个与毒理学相关基因的cDNA克隆，制备了种属特异的毒理基因组学芯片，可研究肝脏毒性、内分泌干扰、致癌作用等毒性终点的作用机制，也可用于确定以基因表达模式为基础的化合物的毒性。
2.5 基因芯片技术与传染病检测
基因芯片技术的重要应用领域是传染病检测和诊断，可用于病原微生物的快速和高通量检测。国内外已经有多种病原微生物检测、鉴定、筛查、分型、耐药检测等基因芯片面世和使用。如Affymetrix公司的HIV检测芯片，博道公司的丙型肝炎病毒基因芯片，益生堂公司的HBV耐药芯片，等等。
2.6 基因芯片技术与基因突变检测
伴随着人类基因组计划的实施，越来越多的疾病相关基因被克隆，基因突变可以引起多种遗传、肿瘤和遗传易感性疾病等理论已被医学界所公认。基因突变检测对遗传病诊断、肿瘤发病机制及基因功能等研究具有越来越重要的意义和临床应用价值。 基因突变检测的核心技术是DNA分子杂交和聚合酶链式反应，在这两种核心技术的基础上衍生出许多检测手段。常用的基因突变检测方法有等位基因寡核苷酸特异性探针(ASO)杂交法、限制性内切酶长度多态性分析法(RELP)、错配PCR-RELP分析法、单链DNA构象多态性分析法、变性剂浓度梯度凝胶电泳法、PCR直接测序法和双脱氧核苷酸指纹图谱法、基因芯片等。 基因芯片技术是一种基因结构分析及基因表达研究技术，它的出现使突变检测变得程序化和规模化。它主要是通过多元杂交，分析杂交差异部分来判定是否有突变。芯片技术可同时进行一种基因多位点、多种基因多位点突变检测，因此具有信息量大、敏感度高、检测方法快等特点。目前基因芯片技术已经成功应用于HIV-1蛋白酶和反转录酶基因、囊性纤维变性基因、HLA基因分型（单碱基多态性）检测、地中海贫血突变检测、病毒细菌耐药突变检测、肿瘤突变检测等广泛的基因突变研究和临床诊断领域。
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基因芯片技术及其在生物医学和基因诊断中的应用
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