基因科学的革命——基因芯片技术
作者：翟鹏 童坦君
单位：北京医科大学生物化学与分子生物学系，北京100083
关键词：基因芯片；杂交；光控固相化学合成；激光共聚焦
生理科学进展000209 摘要 基因芯片技术是一种建立在杂交测序基本理论上的全新技术，它利用固定在芯片上的几万至几十万条探针与样品进行杂交，在一步实验中获取大量的信息。它的出现，使基因序列测定、基因功能测定等工作的程序得到了极大的简化，使许多原来根本不可能实现的检测成为可能。基因芯片技术使用了包括光控固相化学合成、激光共聚焦等在内的多项先进技术，实验实现了全部自动化，操作极为简便，可以节约大量的时间和实验成本。该项技术，已经在基因多态性分析、基因表达分析等多方面得到了广泛的应用，并已开始应用于临床诊断。随着基因芯片技术的进一步成熟和越来越多的成品芯片的设计制造成功，该项技术必将在整个分子生物学领域掀起一场新的革命。
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学科分类号 Q75；Q81
核酸杂交技术无疑是用于基因研究的最常用的工具，应用核酸杂交技术可以对基因的同源性以及其功能状态进行测定。但是，在分析复杂的基因网络，特别是要判明基因群的功能状态时，工作量十分庞大，传统的核酸杂交技术的效率就显得过于低下。随着人类基因组计划的逐步实施，基因组序列日趋明朗，下一步就是要确定各种不同基因的功能。这样，研究人员将面临前所未有的压力，因此，必须建立高效、准确、自动的遗传信息分析系统，基因芯片技术，于是应运而生。
基因芯片(又称DNA芯片、寡核苷酸芯片等)最早由E. Southern在1989年提出，而后立即受到了多方重视。基因芯片已经在基因表达分析、基因型判断等领域得到了广泛的应用，在临床上，基因芯片技术在判定疾病的发生、药物的疗效等方面也可以起到重要的作用。美国加州的Affymetrix公司(隶属于葛兰素制药公司)在其首席执行官兼总工程师Fodor的领导下，已经制出了商品化的基因芯片。本文所介绍的基因芯片的许多技术细节，多来自该公司的网页(http//：www.Affymetrix.com)。
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一、 基因芯片的制造
基因芯片的制造，实际上就是将大量已知的探针，固定于选定的片基上，从而获得一高度(通常探针的密度在65 000～600 000/cm2)的探针阵列。在制作基因芯片前，首先，要根据所要测定的基因片断，确定可以与之杂交的探针阵列，而后，利用特殊的电脑程序，设计出用于合成该阵列的光刻底片(photolithographic masks)，以便进行下一步的合成。基因芯片探针阵列的合成应用了一种被称为光控化学合成(light-directed chemicalsynthesis)的技术(图1)，它将固相化学合成(solid-phase chemical synthesis)和光刻技术有机的结合在了一起。首先，将支持物表面氨基化或羟基化，而后，用光敏保护基团将支持物表面的氨基保护起来，当光线(如紫外线)通过光刻底片照在支持物上时，在有光线通过的部分，保护基团脱去，表面的氨基被活化。氨基活化后，加入一端连有光敏保护基团、另一端预先被活化了的探针单体分子(核苷酸)，于是，此单体分子就被连接到了支持物表面的氨基上。应用不同的光刻底片，可以使不同位点的氨基活化，加入不同的探针单体分子，就可以使支持物表面有序的固定上不同的探针单体分子。重复以上步骤，可以使探针分子不断延长，直至获得所需探针。制作完成后，将其封装在工程塑料封装套中，工程塑料封装套不仅可以对芯片起保护作用，还可作为杂交时的容器。
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图1 基因芯片的制作过程
通过光刻技术，将设计好的探针固定于芯
片的表面，从而获得一高密度的探针阵列二、 样品杂交和结果的分析
样品在被测定前，首先要经过消化，使待测组织细胞中的DNA或RNA释放出来，在经过适当的扩增后，以荧光标记物标记，放入基因芯片自动孵育装置(Fluidics Station)中，由其自动控制反应的时间、温度以及缓冲液的配比等反应条件，进行杂交，这一过程，仅需要数秒钟。杂交完成后，要对基因芯片进行“读片”，即应用激光共聚焦荧光扫描显微镜，对基因芯片表面的每个位点进行检测。这种显微镜，将聚焦的平面设定为芯片的表面，因此可以检测结合到芯片表面位点的样品片断的荧光标记，而待测样品中未与芯片上探针结合的荧光标记物，则悬浮于溶液中，由于不在聚焦平面上，因而不被检测。样品与探针的错配是影响杂交反应结果的重要因素，但由于样品与芯片上的探针正确配对时产生的荧光信号要比错配时强的多，因此，通过对信号强度的分析，就可以区分正确与错误的配对。
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为了使结果的检验更加简便和快速，Affymetrix的基因芯片的分析系统中采用了基因阵列扫描仪和专用的基因芯片工作站，对一幅包含数万个探针位点的基因芯片图样的分析，仅需要数分钟的时间。这样在短短的几十分钟至数小时内，就可以完成用传统方法需要数月才能完成的几万乃至几十万次杂交分析试验。
三、基因芯片技术的应用
基因芯片技术在遗传学研究中具有不可比拟的优势，因此自其问世起就得到了广泛的应用，并被评为21世纪最有发展前途的20项高新技术之一。目前主要应用于以下三个领域：
(一)基因表达分析 基因芯片具有高度的敏感性和特异性，它可以监测细胞中几个至几千个mRNA拷贝的转录情况。与用单探针分析mRNA的点杂交技术不同，基因芯片表达探针阵列应用了大约20对寡核苷酸探针来监测每一个mRNA的转录情况。每对探针中，包含一个与所要监测的mRNA完全吻合和一个不完全吻合的探针(图2)，这两个探针的差别在于其中间位置的核苷酸不同。这种成对的探针可以将非特异性杂交和背景讯号减小到最低的水平，由此我们就可以确定那些低强度的mRNA。目前，Affymetrix公司已经生产出HugeneFL、Mu6500(含有小鼠6 500个基因)、Ye6100(含有酵母6 100个基因)等基因芯片成品。
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图2 探针与待测基因杂交后的荧光显色图样
荧光显色的强度与探针与待测基因的匹配程度正相关，完全配对
的探针与样品杂交后所发出的荧光强度，较不完全配对的探针强
英国剑桥大学Whitehead研究所的Frank C.P. Holstege等人，应用含有酵母基因组的基因芯片，深入研究了真核细胞基因组的调节周期。应用基因组水平的表达分析，监测那些表达受转录起始机制的关键成分控制的基因，发现RNA聚合酶II、主要的转录因子TFIID和SAGA染色体修饰复合物等均在基因的表达中有自己特定的作用位点。通过本试验，研究人员揭示了：(1)基因特异性的转录因子对表达的调控作用。(2)细胞在缺乏营养的环境中，基因不同位点的协同调节作用的全新机制。(3)信号转导通路的最终作用位点，在最初的几步中就可以确定。以此试验为基础，研究人员进一步绘制出了酵母基因组控制图，并由此分析出了各种调节因子在基因上不同的作用位点和其作用的分子机制。
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美国Stanford大学的V.R.Iyer等人，对成纤维细胞中与细胞增生和损伤修复有关的基因进行了分析。首先，他们用成纤维细胞中的8 600个基因片断制成基因芯片的探针阵列，通过与mRNA反转录形成的cDNA的杂交反应，可以判断出该基因的活性。在试验中，成纤维细胞被置于无营养的环境中，使绝大部分基因的活性关闭，两天后，加入10%的血清，24小时内，分6个不同的时间点，观察基因的活化情况。试验结果表明，在所有被监测的基因中，约有500个基因最为活跃，而使细胞保持不分裂状态的基因活性被抑制。其中，最早被活化的是那些转录调控基因。在活化的基因中，有28个基因共同作用，控制细胞的增殖；8个与免疫反应的激活有关；19个与血管重建有关；另有许多基因，与血管新生密切相关。在肿瘤细胞中，基因的表达与正常的细胞存在着明显的差异。美国Stanford大学的David Botstein利用cDNA微阵列芯片，对乳腺癌细胞的基因表达进行了分析，发现其基因表达水平明显低于正常细胞。利用基因芯片对表达进行分析，在一次试验中可以获取相当于在60余万次传统的Northern杂交中所获得的关于基因表达的信息。通过这种实验方法，可以建立一种全新的肿瘤分类学方法，即依据每个肿瘤细胞中的基因表达情况对肿瘤细胞进行分类。
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基因芯片技术在分析基因的表达中具有不可比拟的优势，正如NIH首脑Harold Varmus在美国细胞生物学1998年年会上所说：“在基因芯片的帮助下，我们将能够监测一个细胞乃至整个组织中所有基因的行为。”
(二)基因型和多态性分析 在同一物种不同种群和个体之间，有着多种不同的基因型，而这种不同，往往与个体的不同性状和多种遗传性疾病有着密切的关系。通过对大量具有不同性状的个体的基因型进行比较，就可以得出基因与性状的关系。但是，由于大多数性状和遗传性疾病是由多个基因同时决定的，因此分析起来就十分困难，然而基因芯片技术恰恰解决了这一问题，利用其可以同时反应数千甚至更多个基因的特性，我们就可以分析基因组中不同基因与性状或疾病的关系。美国Stanford大学的E.A.Winzeler等，以两种不同菌株的酵母(S96和YJM789)作为实验材料，对控制酵母对放线菌酮的抗药性的基因进行分析。将含有酵母150 000个DNA片断的基因芯片分别与这两株酵母活化转录的mRNA分子杂交，S96几乎全部吻合，而YJM789与芯片上的探针组存在较大的差异，约有3000个位点没有杂交显色。由于S96对放线菌酮有抗药性而YJM789的抗药性则弱的多，因此可以判定控制这一抗药性的基因的所在。而后，通过对S96和YJM789杂交后产生的抗药子代的遗传标记的分析，进一步确定，控制该抗药性的基因位于15号染色体，是一长约57 000个碱基的片断。
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随着人类基因组计划的逐步发展，研究人员分析出了越来越多的基因序列。下一步，就是要分析这些基因的多态性与生物功能和疾病的关系，而这需要对大量个体进行分析。通过基因芯片SNP(单核苷酸多态性)定位试验，可以确定基因多态性和疾病的关系，同时也可确定致病的机制和病人对治疗的反应等。同样，对于许多与人类疾病密切相关的致病微生物，也可对其进行基因型和多态性分析，1997年，法国T.Livache等就成功的利用基因芯片技术，对人血中的HCV病毒进行了基因型分析。SNP基因芯片的成功将使临床诊断上到一个新的台阶。
(三)疾病的诊断与治疗 人类的疾病与遗传基因密切相关，基因芯片可以对遗传信息进行快速准确的分析，因此它在疾病诊断中的优势是不言而喻的。基因芯片技术已经被应用于感染性疾病、肿瘤和药物代谢等方面的研究。
人类恶性肿瘤中，约有60%与人类p53抑癌基因的突变有关，目前研究人员已经研制成功了可以检测p53基因所有编码区(外显子2～外显子11)错意突变和单碱基缺失突变的基因芯片。以外显子7的第248个密码子为例，野生型为CGG，在芯片上做出5条探针，相应位点分别为GAC、GCC、GGC、GTC和G-C，根据杂交后的荧光显色图，就可以分析出该位点为何种突变。HIV是严重危害人类健康的一种病毒，近年来随着其迅速的蔓延，受到了越来越多的重视。而HIV-I在病人体内的突变，对治疗起着重大的影响。早在1996年，M.J.Kozal等就利用基因芯片，对HIV-I B亚型中的蛋白酶基因的多态性进行了分析，这也是基因芯片技术被首次应用于临床实践。在艾滋病的治疗中，使用HIV蛋白酶抑制剂是一种重要的手段。然而，病毒对该药物的反应却有着很大的差异。利用基因芯片技术，研究人员分析了取自102个病人的167个病毒单体，发现这些同为美国HIV-I B亚种的病毒的基因序列存在极大差异，其中蛋白酶的基因片断差异最大，在编码99个氨基酸的序列中，竟有47.5%存在明显突变。这些氨基酸的突变，直接导致了病毒抗药性的不同。
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美国国家人类基因组研究室的J.G.Hacia等在Fodor研究小组的协助下，将基因芯片应用于双色突变分析。他们的分析对象是与人类遗传性乳腺癌和卵巢癌密切相关的BRCA1基因的外显子11。在扩增后，将BRCA1基因的外显子11置于含有荧光素-12-UTP的环境中进行体外转录反应，而后将转录产生的mRNA与BRCA1外显子11芯片杂交，4小时后，用藻红蛋白染色。在观察时，用488nm的氩离子激光进行扫描，荧光染色位点呈现绿色，而藻红蛋白染色的位点呈现红色。应用双色分析，可以更为清楚的监测未知样品与标准链之间的竞争性杂交情况，进而分析该基因中的不同突变。通过对15名患者BRCA1基因的观察，有14名患者在外显子11位点存在不同的突变。
四、结语
鉴于基因芯片的多种用途和其不可限量的发展前景，众多机构相继投入了该项技术的研究，目前，如何提高探针阵列的密度，是研究的热点，在现有的技术水平下，已经可以生产包含40万个探针的芯片，并在开发有1000万个探针的芯片。在2000年时，有望开发出可以同时监测5万人基因组的芯片。
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在国内，基因芯片技术尚未得到广泛的应用。但是，也有一些科研单位在这方面开始了初步的研究。自1998年底，上海细胞生物研究所的胡赓熙博士所在的课题组开始了cDNA阵列的制备和应用技术研究。至1999年6月，已经成功的建立了含有8 000个不同人类基因的cDNA阵列。该cDNA阵列，已经被成功的应用于肝癌的研究。它的研制成功，标志着我国已经有了自行设计生产基因芯片并加以实际应用的能力。相信，基因芯片技术不仅将在基础研究中得到广泛的应用，在临床实践中，也必将发挥无可比拟的巨大作用。
国家自然科学基金重点项目资助课题(39930170)与国家重点基础研究发展规划资助项目(G1999053906)
参考文献
1，Fodor SPA，Rava RP，Huang XC，et al. Multipiexed biochemical assays with biological chip. Nature，1993，364∶555～556.
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2，Jordan BR. Large-scale expression measurement by hybridization methods：From high-density membranes to “DNA Chips”. Jap Biochem Soc，1998，124∶251～258.
3，Gerhold D，Rushmore T，Caskey CT. DNA chips：promissing toys have become powerful tools. TIBS，1999，24∶168～173.
4，Hacia JG，Edgemon K，Sun B，et al.Two color hybridization analysis using high density oligonucleotide arrays and energy transfer dyes. Nucleic Acid Res，1998，26～16∶3865～3866.
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5，Hochhauser D，Cancer researchers get down to arrays at AACR. Lancet, 1999，353∶1418.
6，Livache T，Fouque B，Roget A，et al. Polypyrrole DNA chip on a silicon device：Example of hepatitis C virus genotyping. Anal Biochem，1998，255∶188～194.
7，Iyer VR，Eisen MB，Ross DT，et al.The transcriptional program in the response of human fibroblast to serum. Science，1999，283∶83～87.
8，Holstege FCP，Jennins EG，Wyrick JJ，et al.Dissecting the regulatory circuitry of a eukaryotic genome. Cell，1998，95∶717～728.
9，Winzeler EA，Richards DR，Conway AR，et al.Direct allelic variation scanning of the yeast genome. Science，1998，281∶1194～1197.
10，Kozal MJ，Shah N，Shen N，et al.Extensive polymorphisms observed in HIV-I clade B protease gene using high-density oligonucleotide arrays. Natr Med，1996，2∶753～759., 百拇医药
单位：北京医科大学生物化学与分子生物学系，北京100083
关键词：基因芯片；杂交；光控固相化学合成；激光共聚焦
生理科学进展000209 摘要 基因芯片技术是一种建立在杂交测序基本理论上的全新技术，它利用固定在芯片上的几万至几十万条探针与样品进行杂交，在一步实验中获取大量的信息。它的出现，使基因序列测定、基因功能测定等工作的程序得到了极大的简化，使许多原来根本不可能实现的检测成为可能。基因芯片技术使用了包括光控固相化学合成、激光共聚焦等在内的多项先进技术，实验实现了全部自动化，操作极为简便，可以节约大量的时间和实验成本。该项技术，已经在基因多态性分析、基因表达分析等多方面得到了广泛的应用，并已开始应用于临床诊断。随着基因芯片技术的进一步成熟和越来越多的成品芯片的设计制造成功，该项技术必将在整个分子生物学领域掀起一场新的革命。
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核酸杂交技术无疑是用于基因研究的最常用的工具，应用核酸杂交技术可以对基因的同源性以及其功能状态进行测定。但是，在分析复杂的基因网络，特别是要判明基因群的功能状态时，工作量十分庞大，传统的核酸杂交技术的效率就显得过于低下。随着人类基因组计划的逐步实施，基因组序列日趋明朗，下一步就是要确定各种不同基因的功能。这样，研究人员将面临前所未有的压力，因此，必须建立高效、准确、自动的遗传信息分析系统，基因芯片技术，于是应运而生。
基因芯片(又称DNA芯片、寡核苷酸芯片等)最早由E. Southern在1989年提出，而后立即受到了多方重视。基因芯片已经在基因表达分析、基因型判断等领域得到了广泛的应用，在临床上，基因芯片技术在判定疾病的发生、药物的疗效等方面也可以起到重要的作用。美国加州的Affymetrix公司(隶属于葛兰素制药公司)在其首席执行官兼总工程师Fodor的领导下，已经制出了商品化的基因芯片。本文所介绍的基因芯片的许多技术细节，多来自该公司的网页(http//：www.Affymetrix.com)。
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一、 基因芯片的制造
基因芯片的制造，实际上就是将大量已知的探针，固定于选定的片基上，从而获得一高度(通常探针的密度在65 000～600 000/cm2)的探针阵列。在制作基因芯片前，首先，要根据所要测定的基因片断，确定可以与之杂交的探针阵列，而后，利用特殊的电脑程序，设计出用于合成该阵列的光刻底片(photolithographic masks)，以便进行下一步的合成。基因芯片探针阵列的合成应用了一种被称为光控化学合成(light-directed chemicalsynthesis)的技术(图1)，它将固相化学合成(solid-phase chemical synthesis)和光刻技术有机的结合在了一起。首先，将支持物表面氨基化或羟基化，而后，用光敏保护基团将支持物表面的氨基保护起来，当光线(如紫外线)通过光刻底片照在支持物上时，在有光线通过的部分，保护基团脱去，表面的氨基被活化。氨基活化后，加入一端连有光敏保护基团、另一端预先被活化了的探针单体分子(核苷酸)，于是，此单体分子就被连接到了支持物表面的氨基上。应用不同的光刻底片，可以使不同位点的氨基活化，加入不同的探针单体分子，就可以使支持物表面有序的固定上不同的探针单体分子。重复以上步骤，可以使探针分子不断延长，直至获得所需探针。制作完成后，将其封装在工程塑料封装套中，工程塑料封装套不仅可以对芯片起保护作用，还可作为杂交时的容器。
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图1 基因芯片的制作过程
通过光刻技术，将设计好的探针固定于芯
片的表面，从而获得一高密度的探针阵列二、 样品杂交和结果的分析
样品在被测定前，首先要经过消化，使待测组织细胞中的DNA或RNA释放出来，在经过适当的扩增后，以荧光标记物标记，放入基因芯片自动孵育装置(Fluidics Station)中，由其自动控制反应的时间、温度以及缓冲液的配比等反应条件，进行杂交，这一过程，仅需要数秒钟。杂交完成后，要对基因芯片进行“读片”，即应用激光共聚焦荧光扫描显微镜，对基因芯片表面的每个位点进行检测。这种显微镜，将聚焦的平面设定为芯片的表面，因此可以检测结合到芯片表面位点的样品片断的荧光标记，而待测样品中未与芯片上探针结合的荧光标记物，则悬浮于溶液中，由于不在聚焦平面上，因而不被检测。样品与探针的错配是影响杂交反应结果的重要因素，但由于样品与芯片上的探针正确配对时产生的荧光信号要比错配时强的多，因此，通过对信号强度的分析，就可以区分正确与错误的配对。
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为了使结果的检验更加简便和快速，Affymetrix的基因芯片的分析系统中采用了基因阵列扫描仪和专用的基因芯片工作站，对一幅包含数万个探针位点的基因芯片图样的分析，仅需要数分钟的时间。这样在短短的几十分钟至数小时内，就可以完成用传统方法需要数月才能完成的几万乃至几十万次杂交分析试验。
三、基因芯片技术的应用
基因芯片技术在遗传学研究中具有不可比拟的优势，因此自其问世起就得到了广泛的应用，并被评为21世纪最有发展前途的20项高新技术之一。目前主要应用于以下三个领域：
(一)基因表达分析 基因芯片具有高度的敏感性和特异性，它可以监测细胞中几个至几千个mRNA拷贝的转录情况。与用单探针分析mRNA的点杂交技术不同，基因芯片表达探针阵列应用了大约20对寡核苷酸探针来监测每一个mRNA的转录情况。每对探针中，包含一个与所要监测的mRNA完全吻合和一个不完全吻合的探针(图2)，这两个探针的差别在于其中间位置的核苷酸不同。这种成对的探针可以将非特异性杂交和背景讯号减小到最低的水平，由此我们就可以确定那些低强度的mRNA。目前，Affymetrix公司已经生产出HugeneFL、Mu6500(含有小鼠6 500个基因)、Ye6100(含有酵母6 100个基因)等基因芯片成品。
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图2 探针与待测基因杂交后的荧光显色图样
荧光显色的强度与探针与待测基因的匹配程度正相关，完全配对
的探针与样品杂交后所发出的荧光强度，较不完全配对的探针强
英国剑桥大学Whitehead研究所的Frank C.P. Holstege等人，应用含有酵母基因组的基因芯片，深入研究了真核细胞基因组的调节周期。应用基因组水平的表达分析，监测那些表达受转录起始机制的关键成分控制的基因，发现RNA聚合酶II、主要的转录因子TFIID和SAGA染色体修饰复合物等均在基因的表达中有自己特定的作用位点。通过本试验，研究人员揭示了：(1)基因特异性的转录因子对表达的调控作用。(2)细胞在缺乏营养的环境中，基因不同位点的协同调节作用的全新机制。(3)信号转导通路的最终作用位点，在最初的几步中就可以确定。以此试验为基础，研究人员进一步绘制出了酵母基因组控制图，并由此分析出了各种调节因子在基因上不同的作用位点和其作用的分子机制。
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美国Stanford大学的V.R.Iyer等人，对成纤维细胞中与细胞增生和损伤修复有关的基因进行了分析。首先，他们用成纤维细胞中的8 600个基因片断制成基因芯片的探针阵列，通过与mRNA反转录形成的cDNA的杂交反应，可以判断出该基因的活性。在试验中，成纤维细胞被置于无营养的环境中，使绝大部分基因的活性关闭，两天后，加入10%的血清，24小时内，分6个不同的时间点，观察基因的活化情况。试验结果表明，在所有被监测的基因中，约有500个基因最为活跃，而使细胞保持不分裂状态的基因活性被抑制。其中，最早被活化的是那些转录调控基因。在活化的基因中，有28个基因共同作用，控制细胞的增殖；8个与免疫反应的激活有关；19个与血管重建有关；另有许多基因，与血管新生密切相关。在肿瘤细胞中，基因的表达与正常的细胞存在着明显的差异。美国Stanford大学的David Botstein利用cDNA微阵列芯片，对乳腺癌细胞的基因表达进行了分析，发现其基因表达水平明显低于正常细胞。利用基因芯片对表达进行分析，在一次试验中可以获取相当于在60余万次传统的Northern杂交中所获得的关于基因表达的信息。通过这种实验方法，可以建立一种全新的肿瘤分类学方法，即依据每个肿瘤细胞中的基因表达情况对肿瘤细胞进行分类。
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基因芯片技术在分析基因的表达中具有不可比拟的优势，正如NIH首脑Harold Varmus在美国细胞生物学1998年年会上所说：“在基因芯片的帮助下，我们将能够监测一个细胞乃至整个组织中所有基因的行为。”
(二)基因型和多态性分析 在同一物种不同种群和个体之间，有着多种不同的基因型，而这种不同，往往与个体的不同性状和多种遗传性疾病有着密切的关系。通过对大量具有不同性状的个体的基因型进行比较，就可以得出基因与性状的关系。但是，由于大多数性状和遗传性疾病是由多个基因同时决定的，因此分析起来就十分困难，然而基因芯片技术恰恰解决了这一问题，利用其可以同时反应数千甚至更多个基因的特性，我们就可以分析基因组中不同基因与性状或疾病的关系。美国Stanford大学的E.A.Winzeler等，以两种不同菌株的酵母(S96和YJM789)作为实验材料，对控制酵母对放线菌酮的抗药性的基因进行分析。将含有酵母150 000个DNA片断的基因芯片分别与这两株酵母活化转录的mRNA分子杂交，S96几乎全部吻合，而YJM789与芯片上的探针组存在较大的差异，约有3000个位点没有杂交显色。由于S96对放线菌酮有抗药性而YJM789的抗药性则弱的多，因此可以判定控制这一抗药性的基因的所在。而后，通过对S96和YJM789杂交后产生的抗药子代的遗传标记的分析，进一步确定，控制该抗药性的基因位于15号染色体，是一长约57 000个碱基的片断。
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随着人类基因组计划的逐步发展，研究人员分析出了越来越多的基因序列。下一步，就是要分析这些基因的多态性与生物功能和疾病的关系，而这需要对大量个体进行分析。通过基因芯片SNP(单核苷酸多态性)定位试验，可以确定基因多态性和疾病的关系，同时也可确定致病的机制和病人对治疗的反应等。同样，对于许多与人类疾病密切相关的致病微生物，也可对其进行基因型和多态性分析，1997年，法国T.Livache等就成功的利用基因芯片技术，对人血中的HCV病毒进行了基因型分析。SNP基因芯片的成功将使临床诊断上到一个新的台阶。
(三)疾病的诊断与治疗 人类的疾病与遗传基因密切相关，基因芯片可以对遗传信息进行快速准确的分析，因此它在疾病诊断中的优势是不言而喻的。基因芯片技术已经被应用于感染性疾病、肿瘤和药物代谢等方面的研究。
人类恶性肿瘤中，约有60%与人类p53抑癌基因的突变有关，目前研究人员已经研制成功了可以检测p53基因所有编码区(外显子2～外显子11)错意突变和单碱基缺失突变的基因芯片。以外显子7的第248个密码子为例，野生型为CGG，在芯片上做出5条探针，相应位点分别为GAC、GCC、GGC、GTC和G-C，根据杂交后的荧光显色图，就可以分析出该位点为何种突变。HIV是严重危害人类健康的一种病毒，近年来随着其迅速的蔓延，受到了越来越多的重视。而HIV-I在病人体内的突变，对治疗起着重大的影响。早在1996年，M.J.Kozal等就利用基因芯片，对HIV-I B亚型中的蛋白酶基因的多态性进行了分析，这也是基因芯片技术被首次应用于临床实践。在艾滋病的治疗中，使用HIV蛋白酶抑制剂是一种重要的手段。然而，病毒对该药物的反应却有着很大的差异。利用基因芯片技术，研究人员分析了取自102个病人的167个病毒单体，发现这些同为美国HIV-I B亚种的病毒的基因序列存在极大差异，其中蛋白酶的基因片断差异最大，在编码99个氨基酸的序列中，竟有47.5%存在明显突变。这些氨基酸的突变，直接导致了病毒抗药性的不同。
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美国国家人类基因组研究室的J.G.Hacia等在Fodor研究小组的协助下，将基因芯片应用于双色突变分析。他们的分析对象是与人类遗传性乳腺癌和卵巢癌密切相关的BRCA1基因的外显子11。在扩增后，将BRCA1基因的外显子11置于含有荧光素-12-UTP的环境中进行体外转录反应，而后将转录产生的mRNA与BRCA1外显子11芯片杂交，4小时后，用藻红蛋白染色。在观察时，用488nm的氩离子激光进行扫描，荧光染色位点呈现绿色，而藻红蛋白染色的位点呈现红色。应用双色分析，可以更为清楚的监测未知样品与标准链之间的竞争性杂交情况，进而分析该基因中的不同突变。通过对15名患者BRCA1基因的观察，有14名患者在外显子11位点存在不同的突变。
四、结语
鉴于基因芯片的多种用途和其不可限量的发展前景，众多机构相继投入了该项技术的研究，目前，如何提高探针阵列的密度，是研究的热点，在现有的技术水平下，已经可以生产包含40万个探针的芯片，并在开发有1000万个探针的芯片。在2000年时，有望开发出可以同时监测5万人基因组的芯片。
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在国内，基因芯片技术尚未得到广泛的应用。但是，也有一些科研单位在这方面开始了初步的研究。自1998年底，上海细胞生物研究所的胡赓熙博士所在的课题组开始了cDNA阵列的制备和应用技术研究。至1999年6月，已经成功的建立了含有8 000个不同人类基因的cDNA阵列。该cDNA阵列，已经被成功的应用于肝癌的研究。它的研制成功，标志着我国已经有了自行设计生产基因芯片并加以实际应用的能力。相信，基因芯片技术不仅将在基础研究中得到广泛的应用，在临床实践中，也必将发挥无可比拟的巨大作用。
国家自然科学基金重点项目资助课题(39930170)与国家重点基础研究发展规划资助项目(G1999053906)
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