基因芯片技术进展及应用
3中的1161个cDNA克隆制成芯片，通过比较正常和肿瘤细胞的表达差异，发
现在恶性肿瘤细胞中P21基因处于失活或关闭状态，但在逆转的细胞系中呈高表达
［17］。Golub等应用cDNA 芯片检测基因表达的差异进行癌症的分类，成功地区分
出急性髓细胞性白血病（AML）和急性淋巴细胞性白血病（ALL），预期这种方法还
能诊断出新的白血病种类［20］。在炎症性疾病类风湿性关节炎(RA)和炎症性肠病
(IBD)的基因表达研究中，可检测出炎症疾病诱导的基因如TNF-α、IL或粒细胞集
落刺激因子，同时发现一些以前未发现的基因如HME基因和黑色素瘤生长刺激因子
［11，21］。目前，大量涌现的人类ESTs给cDNA微阵列提供了丰富的序列资源，数
据库中ESTs代表了人类基因，因此ESTs微阵列可在缺乏其它序列信息的条件下用于
基因发现和基因表达检测，从而加快人类基因组功能分析的进程。
基因芯片的另一重要应用是基因多态位点及基因突变的检测，现有大量实例说
明，基因组多样性的研究对阐明不同人群和个体在疾病的易感性和抵抗性方面表现
出的差异具有重要意义，一旦对基因组的编码序列进行系统筛查，就有可能找出与
疾病易感性有关的大量基因变异［2］。基因芯片技术可大规模地检测和分析DNA的
变异及多态性。Wang等应用高密度基因芯片对2.3Mb人类基因的SNP 进行筛查，确
定了3241个SNPs位点，显示出大规模鉴定人类基因型的可能［22］。Lipshutz等人
采用含18,495个寡核苷酸探针的微阵列，对HIV-1基因组反转录酶基因(rt)及蛋白
酶基因(pro)的高度多态性进行了筛选，这些变异将导致病毒对多种抗病毒药物包
括AZT、ddI、ddC等表现出抗性，因此rt与pro的变异与多态性的检测具有重要的临
床意义［23］。随着大量疾病相关基因的发现，变异与多态性分析将在疾病的诊断
与治疗方面体现出越来越重要的价值。Affymetrix公司已将P53 基因的全长序列和
已知突变的序列制成探针集成在芯片上，可对与P53 基因突变相关的癌症进行早期
诊断。Hacia等采用含96600个20聚寡核苷酸高密度阵列对遗传性乳腺和卵巢癌BRC
A1基因3.45kb的第11个外显子进行杂合变异筛选［12］，结果准确诊断出15个已知
变异的患者样品中的14个，而在20个对照样品中未发现1例假阳性，表明DNA芯片技
术在某些疾病相关基因可能的杂合变异的检测方面所具有的灵敏度与特异性是令人
满意的。
芯片技术中杂交测序技术（sequencing by hybridization,SBH）是一种新的
高效快速测序方法，也是基因芯片的另一重要应用［24］，其原理与芯片检测多态
位点相类似，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行序列测定，用荧光标记的
待测序列与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补配对时，通过确定荧光强度最
强的探针位置，获得一组序列互补的探针序列，据此可重组出靶核酸的序列。用含
65536个8聚寡核苷酸的微阵列，采用SBH技术，可测定200bp长DNA序列，采用6710
8864个13聚寡核苷酸的微阵列，可对数千个碱基长的DNA测序。
3 结束语
基因芯片技术的出现不过短短几年时间，其发展势头十分迅猛，在生命科学的
各个领域得到广泛地应用，但其存在的缺陷也是相当明显的。首先是成本的问题，
由于芯片制作的工艺复杂，信号检测也需专门的仪器设备，一般实验室难以承担其
高昂的费用，其次在芯片实验技术上还有多个环节尚待提高，如在探针合成方面，
如何进一步提高合成效率及芯片的集成程度是研究的焦点。而样品制备的简单化与
标准化则芯片应用进一步普及的前提。虽然芯片技术还存在这样或那样的问题，但
其在基因表达谱分析、基因诊断、药物筛选及序列分析等诸多领域已呈现出广阔的
应用前景，随着研究的不断深入和技术的更加完善基因芯片一定会在生命科学研究
领域发挥越来越重要的作用。
［参考文献］
［1］ Cheung V G,Morley M,Aguilar F et al.Making and reading microarra
ys［J］.Nature Genetics(Supplement),1999，21∶15.
［2］ 张思仲.人类基因组的单核苷酸多态性及其医学应用［J］.中华医学遗传学
杂志，1999，16∶119.
［3］ Marshall A and Hodgson J. DNA chips: An array of possibilities［
J］.Nature Biotechnology，1998，16∶731 .
［4］ Ramsay R. DNA chips: State-of-the-art［J］.Nature Biotechnology，
1998，16∶40.
［5］ Lipshutz R, Fodor S ,Gingeras T,et al. High density synthetic ol
igonucleotide arrays［J］.Nature Genetics(Supplement)，1999，21∶20.
［6］ Prpndnikov D, Timofeev&nbs
Polyacrylamide gel for the manufracture of DNA chip and oligonucleotide
Microchips［J］，Anal Biochem，1998，259∶34.
［7］ McGall GH，Barone AD，Diggelmann M，et al. The efficiency of lig
ht- directed synthesis of DNA arrays on glass substrates［J］.J Am Chem
Soc，1997，119(22)∶5081.
［8］ Pease AC, Solas D, Sullivan EJ, et al. Light-generated&nb 《基因芯片技术进展及应用(第2页)》
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现在恶性肿瘤细胞中P21基因处于失活或关闭状态，但在逆转的细胞系中呈高表达
［17］。Golub等应用cDNA 芯片检测基因表达的差异进行癌症的分类，成功地区分
出急性髓细胞性白血病（AML）和急性淋巴细胞性白血病（ALL），预期这种方法还
能诊断出新的白血病种类［20］。在炎症性疾病类风湿性关节炎(RA)和炎症性肠病
(IBD)的基因表达研究中，可检测出炎症疾病诱导的基因如TNF-α、IL或粒细胞集
落刺激因子，同时发现一些以前未发现的基因如HME基因和黑色素瘤生长刺激因子
［11，21］。目前，大量涌现的人类ESTs给cDNA微阵列提供了丰富的序列资源，数
据库中ESTs代表了人类基因，因此ESTs微阵列可在缺乏其它序列信息的条件下用于
基因发现和基因表达检测，从而加快人类基因组功能分析的进程。
基因芯片的另一重要应用是基因多态位点及基因突变的检测，现有大量实例说
明，基因组多样性的研究对阐明不同人群和个体在疾病的易感性和抵抗性方面表现
出的差异具有重要意义，一旦对基因组的编码序列进行系统筛查，就有可能找出与
疾病易感性有关的大量基因变异［2］。基因芯片技术可大规模地检测和分析DNA的
变异及多态性。Wang等应用高密度基因芯片对2.3Mb人类基因的SNP 进行筛查，确
定了3241个SNPs位点，显示出大规模鉴定人类基因型的可能［22］。Lipshutz等人
采用含18,495个寡核苷酸探针的微阵列，对HIV-1基因组反转录酶基因(rt)及蛋白
酶基因(pro)的高度多态性进行了筛选，这些变异将导致病毒对多种抗病毒药物包
括AZT、ddI、ddC等表现出抗性，因此rt与pro的变异与多态性的检测具有重要的临
床意义［23］。随着大量疾病相关基因的发现，变异与多态性分析将在疾病的诊断
与治疗方面体现出越来越重要的价值。Affymetrix公司已将P53 基因的全长序列和
已知突变的序列制成探针集成在芯片上，可对与P53 基因突变相关的癌症进行早期
诊断。Hacia等采用含96600个20聚寡核苷酸高密度阵列对遗传性乳腺和卵巢癌BRC
A1基因3.45kb的第11个外显子进行杂合变异筛选［12］，结果准确诊断出15个已知
变异的患者样品中的14个，而在20个对照样品中未发现1例假阳性，表明DNA芯片技
术在某些疾病相关基因可能的杂合变异的检测方面所具有的灵敏度与特异性是令人
满意的。
芯片技术中杂交测序技术（sequencing by hybridization,SBH）是一种新的
高效快速测序方法，也是基因芯片的另一重要应用［24］，其原理与芯片检测多态
位点相类似，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行序列测定，用荧光标记的
待测序列与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补配对时，通过确定荧光强度最
强的探针位置，获得一组序列互补的探针序列，据此可重组出靶核酸的序列。用含
65536个8聚寡核苷酸的微阵列，采用SBH技术，可测定200bp长DNA序列，采用6710
8864个13聚寡核苷酸的微阵列，可对数千个碱基长的DNA测序。
3 结束语
基因芯片技术的出现不过短短几年时间，其发展势头十分迅猛，在生命科学的
各个领域得到广泛地应用，但其存在的缺陷也是相当明显的。首先是成本的问题，
由于芯片制作的工艺复杂，信号检测也需专门的仪器设备，一般实验室难以承担其
高昂的费用，其次在芯片实验技术上还有多个环节尚待提高，如在探针合成方面，
如何进一步提高合成效率及芯片的集成程度是研究的焦点。而样品制备的简单化与
标准化则芯片应用进一步普及的前提。虽然芯片技术还存在这样或那样的问题，但
其在基因表达谱分析、基因诊断、药物筛选及序列分析等诸多领域已呈现出广阔的
应用前景，随着研究的不断深入和技术的更加完善基因芯片一定会在生命科学研究
领域发挥越来越重要的作用。
［参考文献］
［1］ Cheung V G,Morley M,Aguilar F et al.Making and reading microarra
ys［J］.Nature Genetics(Supplement),1999，21∶15.
［2］ 张思仲.人类基因组的单核苷酸多态性及其医学应用［J］.中华医学遗传学
杂志，1999，16∶119.
［3］ Marshall A and Hodgson J. DNA chips: An array of possibilities［
J］.Nature Biotechnology，1998，16∶731 .
［4］ Ramsay R. DNA chips: State-of-the-art［J］.Nature Biotechnology，
1998，16∶40.
［5］ Lipshutz R, Fodor S ,Gingeras T,et al. High density synthetic ol
igonucleotide arrays［J］.Nature Genetics(Supplement)，1999，21∶20.
［6］ Prpndnikov D, Timofeev&nbs
p;E, Mirzabekov A.Immobilization of DNA in
Polyacrylamide gel for the manufracture of DNA chip and oligonucleotide
Microchips［J］，Anal Biochem，1998，259∶34.
［7］ McGall GH，Barone AD，Diggelmann M，et al. The efficiency of lig
ht- directed synthesis of DNA arrays on glass substrates［J］.J Am Chem
Soc，1997，119(22)∶5081.
［8］ Pease AC, Solas D, Sullivan EJ, et al. Light-generated&nb 《基因芯片技术进展及应用(第2页)》
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