miRNA和siRNA基因调控技术研究进展
收稿日期:2004-04-12
作者简介:曹寅(1975-),男,汉族,安徽泾县人。研究生(导
师:梅陵宣)
micRNA 和siRNA 基因调控技术研究进展
曹 寅 综述;梅陵宣 审校
(安徽医科大学口腔医学院,安徽合肥230032)
[摘 要] micRNA 和siRNA 基因调控技术不仅改变了基因的调控只有通过蛋白质与核酸的相互作用才
能实现的认识,而且可以作为一种简单有效替代基因敲除的技术,在功能基因组研究、基因治疗等领域得到了越来越多的重视。本文就micRNA 和siRNA 基因调控技术的概念、原理与方法、应用的最新进展等方面进行综述。
[关键词]micRNA ;siRNA ;基因;调控
[中图分类号]R780.2 [文献标识码]A [文章编号]1005-2593(2004)09-0528-04[牙体牙髓牙周病学杂志,2004,14(9):528]
Advancement of mic RNA and siRNA gene regulation technologies
CAO Y in
(College of stom atology ,A nhui Medical U niversity ,Hef ei 230032,Chi na )
[Abstract] The opinion that gene regulation must be by the interaction between nucleic acid and protein has been changed because of using micRNA and siRNA gene regulation technologies.Recently ,these two gene regulation technologies are more and more widely used in study of genome and gene therapy ,also it is used as a simple and effi 2cient technology instead of gene knockout technique.Researches on micRNA and siRNA gene regulation technologies are reviewed in this article ,which mainly concerns concept ,theory and application.
[K ey w micRNA ;siRNA ;gene ;regulation
[Chinese Journal of Conservative Dentistry ,2004,14(9):528]
20世纪50年代末,生物学家们揭示了遗传
信息传递的规律———中心法则,1961年,Jacob 和Monod 通过研究 E.coli 基因表达调控提出了著名的操纵子学说,开创了基因表达调控研究的新领域。研究表明基因结构活化、转录起始、转录后加工及转运、翻译及翻译后加工等均为基因表达调控的控制点,逐步形成了基因的调控只有通过蛋白质与核酸的相互作用才能实现的认识。1983年,Mizuno 等人差不多同时发现了反义RNA 对于基因表达的调控作用,从而揭示了一种新的基因表达调控的机制:反义RNA 的调控是通过核酸与核酸的相互作用而实现的。近年来的研究发现,一些小的双链RNA 也可以通过抑制同源mRNA 翻译,高效、特异的阻断体内特定基因表
达,称为RNA 干扰(RNA interference ,RNAi )。
由于可以作为一种简单有效的代替基因敲除的工具,在功能基因组研究、基因治疗等领域得到了越来越多的重视。
1 micRNA 基因调控技术
1.1 概念
反义RNA 是指通过互补的碱基与特定的mRNA 结合,结合位点通常是mRNA 上的S -D 序列,包括起始密码子AU G 和部分N 端的密码子,从而抑制mRNA 的翻译。人们称这类RNA 为干扰mRNA 的互补RNA ,简称micRNA (mRNA -interfering complementary RNA )[1]。1.2 原理和方法
Mizuno 等人在研究渗透压变化对大肠杆菌
外膜蛋白质基因表达的调节时,发现了两种外膜蛋白质OmpC 和Omp F ,它们的合成受渗透压的调节;在高渗透压时,OmpC 合成增多,而Omp F
的合成受到抑制,在低渗透压时,Omp F合成增多,而OmpC的合成受到抑制,两种蛋白质含量随着渗透压的变化而改变,但两种蛋白质总量保持不变。现在已经知道,当OmpC基因转录时,在OmpC基因的启动子上游方向有一段DNA序列,以相反的方向同时转录产生一个174个核苷酸的RNA,这个RNA能够与Omp F mRNA的前导序列中的44个核苷酸(包括S-D序列)以及编码区域(包括起始密码子AU G)形成杂合双链,从而抑制了Omp F mRNA的翻译。OmpC转录得越多,micF也就越多,Omp F蛋白就越少[2]。近来发现反义RNA的作用不仅在于抑制核糖体与mRNA的结合从而抑制mRNA的翻译,在许多情况下还使mRNA显著减少。因此反义RNA 的调控机制可能有多种途径,并不仅仅限于翻译水平[3]。
Lim等描述了一种计算程序可用来确定大量基因组的micRNA,即micRNA扫描,检测线虫基因组得到了88个micRNA,这88micRNA存在于48个基因家族中,经实验证明在生长发育期间超过1/3的线虫micRNAs(包括新确定的lin-4和let-7基因家族)以不同的水平表达;比较人与鱼的micRNAs,发现80%有同源性,这一方法可为各物种基因功能的研究提供较好的工具[4]。植物的基因调控也存在这样的机制,Rhoades等在水稻的基因组中确定了49个micRNA调控位点,其中34个位点与细胞的生长和分化有关[5]。
1.3 反义RNA基因调控技术的应用
反义RNA的概念可以用于研究基因的功能。传统的方法是使基因的某些碱基发生突变,然后再观察其表现型,但常常有无声突变或渗漏突变产生,影响对突变效应的观察。而反义RNA对基因的抑制比较完全,而且是专一性的。只要将一个不含启动子的克隆基因或其片断的3′末端以相反的方向接上一个启动子,然后通过载体引入细胞内,就可以在细胞内产生反义RNA以抑制染色体上的相应基因的表达。Ambros等构建了一个micRNA 统一的命名系统,研究者可以通过此系统查询相关信息[6]。Z eng等通过实验证实成熟micRNAs的产生需依赖前体mRNA主干的完整性,下游的序列只起到很小的作用,若突变作用位点中的个别核苷酸,micRNAs还可以起作用,利用此原理研究者构建了新的micRNA(micR-21)[7]。Dostie等发现神经细胞含有大量和micRNAs有联系的核蛋白(miRNPs),在描述的53个新micRNAs中,其中mi2 cR-175和帕金森病、X-染色体连锁性痴呆有关[8]。
在治疗病毒疾患时,因为病毒在它的生活周期中常使用宿主的生理机能,很难找到专一的药物。因反义RNA的专一性是毫无疑义的,1984年, Izant和Weintraub提出了用反义RNA来治疗病毒所引起的细胞转化,有学者发现付链鼠肝炎病毒(MHV)在细胞中的表达依赖正链反义RNA(DI RNAs)的合成量,正链反义RNA作用于互补链5’端的引导序列,并起到开关作用[9]。通过反义RNA技术还发现MHV的转录也受作用于3′非编码区(3′-U TR)的聚合嘧啶结合蛋白的影响,相互的作用使得mRNA的构象改变,从而实现对其的调控[10]。
2 siRNA基因调控技术
2.1 概念
一些小的双链RNA,即大约21碱基长短的双链siRNAs(small interfering RNAs)可以通过抑制同源mRNA翻译,高效、特异地阻断体内特定基因表达,称为RNA干扰[11]。
2.2 原理和方法
RNAi技术是将靶向特定基因的大约21碱基长短的双链siRNAs,或者是45-50-mer的发夹结构RNA(small hairpin RNA,shRNA)转染到细胞。shRNA在细胞内会自动被加工成为siRNA,从而引发基因沉默或者表达抑制。长链的dsRNA不适宜用在哺乳动物细胞,因为会引发非特异抑制[11]。
实验证实质粒表达siRNAs同样可以抑制特定基因的表达,大部分载体是用Pol III启动子启动编码shRNA的序列,选用Pol III启动子的原因在于这个启动子总是在离启动子一个固定距离的位置开始转录合成RNA,遇到4-5个连续的U 即终止,非常精确。当这种带有Pol III启动子和shRNA编码序列的质粒转染哺乳动物细胞时,只要将编码一小段对应目的基因特异序列的、其RNA能形成发夹结构(就是回文结构)的DNA序列插入载体中Pol III启动子的下游,转入哺乳动物细胞,载体就能表达出发夹结构的RNA,这种RNA很快在细胞中加工成为siRNA。这种能表达siRNA的质粒确实能够下调特定基因的表达,抑制范围包括外源基因和内源基因,采用这种方法的优点在于,通过siRNA表达质粒的选择标
记,siRNA载体能够更长时间地抑制目的基因表达[12]。Nykanen等发现此过程需要能量参与, A TP对维持siRNAs的磷酸基和行使功能是必不可少的[13]。
另一种方法为利用Dicer重组酶消化体外合成的500～700bp的dsRNA分子,生成21～23 bp的dsRNA,纯化后转染哺乳动物细胞,该方法绕过了做实验确定单个序列(可以最有效的抑制目的基因的序列)的困难,并可以生成包含整个目的基因区域的siRNA库[14,15]。
2.3 siRNA基因调控技术的应用
在哺乳动物细胞基因功能的研究中,通常用siRNA基因调控技术阻断特定基因的表达从而研究细胞结构及相关基因的功能,Balamurugan等通过siRNA阻断肠道和肝脏上皮细胞的钠依赖性多种维生素转移系统(SMV T)的基因,研究发现此系统是这两种细胞主要的生物素摄取系统,而人高亲和性生物素摄取系统在这两种细胞中不发挥作用[16]。Harborth等用siRNAs抑制体外培养的哺乳类细胞的某些基因,确定了在鼠胎中核纤层蛋白A/C都不是必需蛋白,而核纤层蛋白B1/B2必不可少[17]。实验证明能够被化学合成或者体外合成的siRNAs抑制的基因同样可以被表达相同序列的载体生成的siRNAs抑制,并可同时抑制几个基因,如糖原合成激酶3-α和糖原合成激酶3-β两个基因[18]。Vallier等在研究人胚胎干细胞的分化时,应用了此项技术成功沉默了与细胞发育、分化相关的几个基因[19]。通过siRNAs抑制细胞周期蛋白G的基因表达,发现p53或p73基因可使细胞周期蛋白G基因具有转录活性,而G蛋白也能负向调控这两个基因的表达[20]。
siRNAs在疾病治疗领域也受到越来越多的应用。Sorensen等给小鼠静脉注射绿色荧光蛋白(GFP)基因的siRNAs,成功抑制了其在多种组织中的表达,若腹腔注射抗肿瘤坏死因子基因-β的siRNAs,则可抑制因脂多糖引起的肿瘤坏死因子的表达,但对白介素(IL1-α)的高表达无作用;而且可阻断因脂多糖引起的鼠败血症的发展,提示siRNAs可作为一种药物来使用[21]。10%～15%的白血病和AML1/M TG8基因有关,Hei2 denreich等利用siRNAs阻断白血病细胞系Kasu2 mi-1和SKNO-1的基因,发现AML1/M TG8基因在肿瘤细胞分化中起重要作用,siRNAs将来可开发成一种治疗肿瘤的药物[22]。Shen等构建的siRNA腺病毒载体成功沉默了乳腺癌MCF-
7细胞和肺癌A549细胞中的p53基因,若siR2 NAs分解的mRNA是肿瘤基因过度表达的mR2 NA,则此机制有望达到抑制肿瘤 胞,使其停止生长、分化的效果[23]。肌萎缩性侧索硬化症是染色体控制的SOD1位点单核苷酸突变引起的家族性疾病,Y okota等制造了一种可识别突变位点而不影响其它SOD1的表达的siRNA,提示此方法可治疗这种遗传性疾病[24]。近来,有学者利用siRNA成功抑制了流行性感冒病毒的转录,为今后这类疾病的治疗提供了新方法[25]。
3 口腔医学应用展望
综上所述,micRNA和siRNA两种基因调控技术在功能基因组研究、基因治疗等领域越来越得到广泛的重视和应用,并取得了很多重要成果。近年来,应用分子生物学技术对人类牙、颌面组织器官的生长、发育和衰老过程,以及牙、颌面疾病的病因、病理、临床诊断、治疗、转归预测和防治等方面做了大量的研究,但这两种较新的基因调控技术在口腔医学领域应用很少。若在颌面部发育的基因调控、口腔黏膜病病原因子的研究、口腔癌的早期诊断与治疗、口腔疾病的基因治疗等领域做进一步的研究,这两种较新的基因调控技术不失为一种应用方便、有效、广泛和经济的方法。
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碘仿地塞米松氢氧化钙酚醛糊剂根管治疗一次法疗效观察
段生彦,胥金惠
(县人民医院,新疆墨玉848100)
我们采用碘仿地塞米松氢氧化钙酚醛糊剂应用根管治疗一次法治疗急性根尖周炎,报道如下:
1 临床资料和方法
1.1 病例选择
选择1998～2000年在我院口腔门诊就诊的123例急性根尖周炎患者,123个患牙。男64例,女59例,年龄20～49岁,前牙94个,后牙29个。患者无其它全身疾病,X 线片显示,根管通畅、根尖周病损未超过根长1/4,炎症未远离根尖周区。
1.2 诊断标准
根据临床症状将急性根尖周炎分为3期。
Ⅰ期:患者持续性疼痛,有浮出感,咬合痛,轻度松动,明显叩痛。Ⅱ期:除Ⅰ期症状外,患牙根尖区牙龈黏膜红肿。Ⅲ期:除Ⅰ、Ⅱ期症状外,合并颌面部间隙感染。
1.3 治疗方法
Ⅰ期患者,先开髓去髓,扩通根尖孔引流减压约5min,用氯亚明溶液加30mL/L过氧化氢液交替冲洗,隔湿吸干,滴入甲醛液雷锁辛液氢氧化钠溶液。碘仿粉2份,地塞米松粉1份在玻璃板上调成易流动之糊剂,用#1扩大针向根管内输送充填根管。Ⅱ、Ⅲ期若根尖区软组织未形成脓肿同Ⅰ期治疗。若根尖区形成脓肿则切开排脓引流抗炎2～3 d,再同Ⅰ期治疗。治疗后永久充填,随访2～5年观察疗效。2 结果
2.1 疗效判定标淮
优:临床无症状、功能良好、X线片示原有根尖周稀疏区消失、根尖区硬骨板恢复。
良:临床无症状、功能良好、X线片检查尖周稀疏区骨小梁形成,硬骨板未完全恢复或牙周间隙仍宽。
进步:咀嚼功能尚好,X线片示根尖周区与术前无明显改善。
失败:临床症状有或无改善,X线片示根尖周稀疏区扩大。窦道仍在。
2.2 结果
通过2～5年,随访120牙(失访3例3牙),优93牙,良23牙,进步3牙,失败1牙。
(收稿日期:2003-12-25)
转基因研究的现状及发展
转基因研究的现状及发展 转基因作物是当今世界各国现代生物技术产业研究的热点，中国的转基因生物技术发展一、我国转基因作物的发展现状迅速，由于科学界对转基因作物对人类及生态环世界上最早的转基因作物诞生于年，是一境利与弊的争论，措政府应制定相应的政策、施对到种含有抗生素药类抗体的烟草。世纪年代，其进行安全管理。本文论述了转基因作物在国际农业生物技术已逐渐成为各国现代生物技术产业研国内的发展现状，分析了转基因作物对人类及生态环境的利与弊以及关于我国转基因作物安全管究的热点。 转基因技术的应用 1．在畜牧兽医中的应用 应用于动物抗病育种转基因技术可以用于动物抗病育种，通过克隆特定基因组中的某些编码片段，对之加以一定形式的修饰以后转入畜禽基因组，如果转基因在宿主基因组能得以表达，那么畜禽对该种病毒的感染应具有一定的抵抗能力，或者应能够减轻该种病毒侵染时对机体带来的危害。（其用于遗传育种，不仅可以加速改良的进程，使选择的效率提高，改良的机会增多，并且不会受到有性繁殖的限制。）例如Clements等将绵羊髓鞘脱落病毒的表壳蛋白基因转入绵羊，获得的转基因动物抗病力明显提高；丘才良把一种寒带比目鱼抗冻基因成功地转移到大西洋鲑中，为提高某些鱼类的抗寒能力做了积极的尝试。 2．在医学领域中的应用 用于生产药用蛋白用转基因动物的乳腺生产重组蛋白（乳腺生物反应器）可能是转基因动物的最大应用，这也是世界范围内转基因研究的热点之一。Swamdom （1992）用β-球蛋白的4个核酸酶I的高敏位点与人的两个基因相连，融合基因产生的转基因猪与鼠的原型相似。目前，把转基因动物当作生物反应器来生产药用蛋白已经受到国际社会的极大关注，不仅各国政府投资，一些私人集团也不惜投入大量资金加以研究和开发。 3．转基因的应用存在的问题及展望 （1）转基因表达水平低，许多转基因的表达强烈地位受着其宿主染色体上整合位点的影响，往往出现异位表达和个体发育不适宜阶段表达，影响转基因表达能力或基因表达的组织特异性，从而使大部分转基因表达水平极低，极少部分基因表达水平过高。 （2）难以控制转基因在宿主基因组中的行为，转基因随机整合于动物的基因组中，可能会引起宿生细胞染色体的插入突变，还会造成插入位点的基因片段丢失，插入位点周围序列的倍增及基因的转移，也可能激活正常状态下处于关闭状态的基因。 （3）不了解哪些基因控制多数生理过程，不了解基因表达的发育控制和组织特异性控制的机制。 （4）制作转基因动物的效率低，这是目前几乎所有从事转基因动物研究的实验室都面临的问题，也是制约着这项技术广泛应用的关键。 （5）对传统伦理是一种挑战，对人类的生存有一定的负面作用等。 当然，我们不能因为这些缺点的存在就否定转基因技术的研究价值。因为它作为一种新兴的生物技术，配合其他相关的生物技术将具有广阔的应用前景。随着这一技术日趋成熟，许多问题有望逐步得到解决。
生物芯片研究进展分子生物学论文
生物芯片研究进展 摘要 生物芯片是切采用生物技术制备或应用于生物技术的微处理器是便携式生物化学分析器的核心技术。通过对微加工获得的微米结构作生物化学处理能使成千上万个与生命相关的信息集成在一块厘米见方的芯片上。生物芯片发展的最终目标是将从样品制备、化学反应到检测的整个生化分析过程集成化以获得所谓的微型全分析系统或称缩微芯片实验室。生物芯片技术的出现将会给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品和环境卫生监督等领域带来一场革命。本文主要阐述了生物芯片技术种类和应用方面的近期研究进展。 关键词 生物芯片，疾病诊断，研究运用，基因表达 基因芯片的种类 基因芯片产生的基础则是分子生物学、微电子技术、高分子化学合成技术、激光技术和计算机科学的发展及其有机结合。根据基因芯片制造过程中主要技术的区别，下面主要介绍四类基因芯片。 一、光引导原位合成技术生产寡聚核苷酸微阵列 开发并掌握这一技术的是Affymetrix公司，Affymetrix采用了照相平板印刷技术技术结合光引导原位寡聚核苷酸合成技术制作DNA芯片，生产过程同电子芯片的生产过程十分相似。采用这种技术生产的基因芯片可以达到1×106/cm2的微探针排列密度，能够在一片1厘米多见方的片基上排列几百万个寡聚核苷酸探针。 原位合成法主要为光引导聚合技术（Light-directed synthesis），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。半导体技术中曾使用照相平板技术法在半导体硅片上制作微型电子线路。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列阵提供了一条快捷的途径。 Affymetrix公司已有诊断用基因芯片成品上市，根据用途可以分为三大类，分别为基因表达芯片、基因多态性分析芯片和疾病诊断芯片，基因表达分析芯片和基因多态性分析芯片主要用于研究机构和生物制药公司，可以用来寻找新基因、基因测序、疾病基因研究、基因制药研究、新药筛选等许多领域，Affymetrix公司主要生产通用寡聚核苷酸芯片；疾病诊断芯片则主要用于医学临床诊断，包括各种遗传病和肿瘤等，目前Affymetrix公司生产
转基因技术的研究进展
作物转基因技术的研究进展 摘要：作为生物技术领域的前沿，转基因技术已在多种植物上取得重大进展。本文主要介绍了当前作物转基因技术的三大主流方法：农杆菌介导法、基因枪介导法和花粉管通道法，并阐述了这几种转基因技术在水稻、小麦、棉花、玉米、大豆，甘薯等几种主要农作物的应用进展状况。 关键词：转基因技术、农作物、应用 Genetically Modified---转基因，简称GM，是指运用科学手段从某种生物体中提取所需要的基因，将其转入另一种生物中，使与另一种生物的基因进行重组，再从结果中进行数代的人工选育，从而获得特定的具有变异遗传性状的物质。而其衍生出的转基因技术就是将人工分离和修饰过的基因导入到目的生物体的基因组中，从而达到改造生物的目的，即把一个生物体的基因转移到另一个生物体DNA中的生物技术。 1983年比利时科学家Montagu 等人和美国Monsanto 公司Fraley等人分别将T- DNA上的致瘤基因切除并代之以外源基因,获得了世界上第一株转基因植株———转基因烟草。自此之后，作物转基因技术得到了迅速发展.截至目前,几乎所有的作物都开展了转基因研究,育种目标涉及到高产、优质、高效兼抗性及多用途等诸多方面.一批抗病、抗虫、抗逆、抗除草剂等转基因作物已进入商品化生产阶段. 国际农业生物技术应用服务组织2 月13 日在京发布的1 份报告显示，全球27 个国 家超过1800 万农民，2013 年种植转基因作物，种植面积比2012 年增加了500 万公顷。此外，首个具有耐旱性状的转基因玉米杂交品种亦于2013 年在美国开始商业化。 据该报告显示，全球转基因作物的种植面积于转基因作物商业化的18 年中增加了100 倍以上，从1996 年的170 万公顷增加到2013 年的1.75 亿公顷，其中美国仍是全球转基因作物的领先生产者，种植面积达7010 万公顷，占全球种植面积的40%。国际农业生物技术应用服务组织创始人兼荣誉主席、本年度报告作者Clive James 表示，目前排名前10 位的国家种植转基因作物的面积均超过100 万公顷，这为将来转基因作物的多样化持续发展打下了广泛基础。在种植转基因作物的国家中，有19 个为发展中国家，8 个为发达国家；发展中国家的种植面积连续2 年超越发达国家。 目前，作物遗传转化的方法有农杆菌介导法、基因枪法、电激法、PEG 法、脂质体法、低能离子束法、超声波介导法、显微注射法、花粉管通道法等.但在当前作物基因工程研究中,主要采用农杆菌介导法、基因枪法、花粉管通道法,这三种转基因技术也相对较为成熟. 一、农杆菌介导法 农杆菌介导法是指农杆菌侵染植物时，受到植物受伤后释放的酚类物质的刺激，活化质粒上Vir 区基因的表达，将质粒上的另一段DNA（T-DNA）共价整合到植物基因组上，在植物体内表达而改变植物的遗传特性。农杆菌介导法的转化效率受众多因素影响，如农杆菌侵染外植体的影响因素、外植体再生能力的内在因素和环境条件（pH、温度和光照条件）等[32]，此法具有流程简单、仪器设备便宜、拷贝数低[33]，且基因沉默少，转移的基因片段长等优点。 农杆菌介导法是获得第一个转基因植物的方法，迄今为止，农杆菌介导法获得的转基因植物占转基因植物总数85%，已成为植物基因转化首选方法。 二、基因枪介导法 基因枪法又称微弹轰击法，是将外源基因包裹在直径1~2 nm的钨或金颗粒表面，加速轰击植物外植体靶组织，穿过植物细胞壁和细胞膜而将外源基因带入植物细胞。因此，通过该方法进行DNA的转移过程不受外植体基因型的限制，可以将外源基因转移至几乎所有的植物细胞、组织器官和原生质体中。 最早的基因枪是由美国Cornel 大学的Sanford 等在1987 年研制成功的。目前基因枪介
基因芯片技术基础知识(概念、制备、杂交、应用及发展方向)
生物科学正迅速地演变为一门信息科学。最明显的一个例子就是目前正在进行的HGP （human genome project），最终要搞清人类全部基因组的30亿左右碱基对的序列。除了人的遗传信息以外，还有其它生物尤其是模式生物（model organism）已经或正在被大规模测序，如大肠杆菌、啤酒酵母、秀丽隐杆线虫以及中国和日本科学家攻关的水稻基因组计划。但单纯知晓生物基因组序列一级结构还远远不够，还必须了解其中基因是怎样组织起来的，每个基因的功能是什么，又是怎样随发育调控和微环境因素的影响而在特定的时空域中展开其表达谱的，即我们正由结构基因组时代迈入功能基因组时代。随着这个功能基因组学问题的提出（后基因组时代，蛋白组学）[1]，涌现出许多功能强大的研究方法和研究工具，最突出的就是细胞蛋白质二维凝胶电泳（2-D-gel）（及相应的质谱法测蛋白分子量）和生物芯片（Biochip）技术[2]。 一．什么是基因芯片 生物芯片，简单地说就是在一块指甲大小（1cm3）的有多聚赖氨酸包被的硅片上或其它固相支持物（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。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（视所要固定的分子为核酸或寡肽而定）并与保护基建立共价连接；作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，通常需包被以氨基硅烷或多聚赖氨酸等）将生物分子探针（寡核苷酸片段或基因片段）以大规模阵列的形式排布，形成可与目的分子（如基因）相互作用，交行反应的固相表面，在激光的顺序激发下标记荧光根据实际反应情况分别呈现不同的荧光发射谱征，CCD相机或激光共聚焦显微镜根据其波长及波幅特征收集信号，作出比较和检测，从而迅速得出所要的信息。生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片。而基因芯片中，最成功的是DNA芯片，即将无数预先设计好的寡核苷酸或cDNA在芯片上做成点阵，与样品中同源核酸分子杂交[3]的芯片。 基因芯片的基本原理同芯片技术中杂交测序（sequencing by hybridization, SBH）。
基因芯片发展史
基因芯片的制备及应用摘要基因芯片技术是90年代中期以来快速发展起来的分子生物学高新技术是各学科交叉综合的崭新科学。其原理是采用光导原位合成或显微印刷等方法将大量DNA探针片段有序地固化予支持物的表面然后与已标记的生物样品中DNA分子杂交再对杂交信号进行检测分析就可得出该样品的遗传信息。基因芯片技术目前国内外都取得了较大的进展该技术可用于DNA测序基因表达及基因组图的研究基因诊断新基因的发现药物筛选给药个性化等等所以为二十一世纪生物医药铺平道路将为整个人类社会带来深刻广泛的变革促进人类早日进入生物信息时代。关键词基因芯片微阵列基因诊断药物筛选一、基因芯片的制备基本过程1 DNA方阵的构建选择硅片、玻璃片、瓷片或聚丙烯膜、尼龙膜等支持物并作相应处理然后采用光导化学合成和照相平板印刷技术可在硅片等表面合成寡核苷酸探针或者通过液相化学合成寡核苷酸链探针或PCR技术扩增基因序列再纯化、定量分析由阵列复制器或阵列机及电脑控制的机器人准确、快速地将不同探针样品定量点样于带正电荷的尼龙膜或硅片等相应位置上再由紫外线交联固定后即得到DNA微阵列或芯片。2 样品DNA或mRNA的准备。从血液或活组织中获取的DNA/mRNA样品在标记成为探针以前必须进行扩增提高阅读灵敏度。Mosaic Technologies公司发展了一种固相PCR系统好于传统PCR 技术他们在靶DNA上设计一对双向引物将其排列在丙烯酰胺薄膜上这种方法无交叉污染且省去液相处理的繁锁Lynx Therapeutics公司提出另一个革新的方法即大规模平行固相克隆这个方法可以对一个样品中数以万计的DNA片段同时进行克隆且不必分离和单独处理每个克隆使样品扩增更为有效快速。在PCR扩增过程中必须同时进行样品标记标记方法有荧光标记法、生物素标记法、同位素标记法等。3 分子杂交样品DNA与探针DNA互补杂交要根据探针的类型和长度以及芯片的应用来选择、优化杂交条件。如用于基因表达监测杂交的严格性较低、低温、时间长、盐浓度高若用于突变检测则杂交条件相反。芯片分子杂交的特点是探针固化样品荧光标记一次可以对大量生物样品进行检测分析杂交过程只要30min。美国Nangon公司采用控制电场的方式使分子杂交速度缩到1min甚至几秒钟。德国癌症研究院的Jorg Hoheisel等认为以肽核酸为探针效果更好。4 杂交图谱的检测和分析用激光激发芯片上的样品发射荧光严格配对的杂交分子其热力学稳定性较高荧光强不完全杂交的双键分子热力学稳定性低荧光信号弱不到前者的1/351/52不杂交的无荧光。不同位点信号被激光共焦显微镜或落射荧光显微镜等检测到由计算机软件处理分析得到有关基因图谱。目前如质谱法、化学发光法、光导纤维法等更灵敏、快速有取代荧光法的趋势。二、基因芯片的应用 1 测序基因芯片利用固定探针与样品进行分子杂交产生的杂交图谱而排列出待测样品的序列这种测定方法快速而具有十分诱人的前景。Mark chee等用含135000个核苷酸探针的阵列测定了全长为16.6kb的人线粒体基因组序列准确率达99。Hacia等用含有48000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑猩猩和人BRCA1 基因序列差异结果发现在外显子11约3.4kb长度范围内的核酸序列同源性在98.2到83.5之间示了二者在进化上的高度相似。2基因表达水平的检测用基因芯片进行的表达水平检测可自动、快速地检测出成千上万个基因的表达情况。Schena等采用拟南芥基因组内共45个基因的cDNA微阵列其中14个为完全序列31个为EST检测该植物的根、叶组织内这些基因的表达水平用不同颜色的荧光素标记逆转录产物后分别与该微阵列杂交经激光共聚焦显微扫描发现该植物根和叶组织中存在26个基因的表达差异而参与叶绿素合成的CAB1基因在叶组织较根组织表达高500倍。Schena 等用人外周血淋巴细胞的cDNA文库构建一个代表1046个基因的cDNA微阵列来检测体外培养的T细胞对热休克反应后不同基因表达的差异发现有5个基因在处理后存在非常明显的高表达11个基因中度表达增加和6个基因表达明显抑制。该结果还用荧光素交换标记对照和处理组及RNA印迹方法证实。在HGP完成之后用于检测在不同生理、病理条件下的人类所有基因表达变化的基因组芯片为期不远了。 3 基因诊断从正常人的基因组中分离出DNA 与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱。从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可
课程论文 转基因作物的研究进展
生物与环境工程学院课程论文 转基因作物的研究进展 学生姓名： 学号： 专业/班级： 课程名称：生物工程原理 指导教师：教授 生物与环境工程学院 2011年5月
转基因作物的研究进展 摘要：人们将所需要的外源基因(如高产、抗病虫害优质基因) 定向导入作物细胞中, 使其在新的作物中稳定遗传和表现,产生转基因作物新品种, 是大幅度提高作物产量的一项新技术。本文先描述了转基因作物的发展进程，对其基因问题的研究作了讨论，并列出转基因作物目前存在的主要问题并作分析，最后对此项技术作出展望。 关键词：转基因作物；DNA技术；基因导入；安全性 前言 转基因植物（transgenic plant），是指基因工程中运用DNA 技术将外源基因整合于受体植物基因组、改变其遗传组成后产生的植物及其后代。转基因植物的研究主要在于改进植物的品质，改变生长周期等提高其经济价值或实用价值。[ 1 ]其主要范围是在作物方面，如可食用的大豆、玉米等，或者可投入生产的棉花等作物。 从表面上看来，转基因作物同普通植物似乎没有任何区别，它只是多了能使它产生额外特性的基因。从1983年以来，生物学家已经知道怎样将外来基因移植到某种植物的脱氧核糖核酸中去，以便使它具有某种新的特性：抗除莠剂的特性，抗植物病毒的特性，抗某种害虫的特性。[ 2 ]这个基因可以来自于任何一种生命体：细菌、病毒、昆虫等。这样，通过生物工程技术，人们可以给某种作物注入一种靠杂交方式根本无法获得的特性，这是人类9000年作物栽培史上的一场空前革命。[ 3 ] 1 转基因作物的发展进程 转基因作物的研究最早始于20世纪80年代初期。1983年，全球第一例转基因烟草在美国问世。1986年，首批转基因抗虫和抗除草剂棉花进入田间试验。1996年，美国最早开始商业化生产和销售转基因作物(包括大豆、玉米、油菜、
基因工程技术的现状和前景发展
基因工程技术的现状和前景发展 摘要 从20世纪70年代初发展起来的基因工程技术，经过30多年来的进步与发展，已成为生物技术的核心内容。许多科学家预言，生物学将成为21世纪最重要的学科，基因工程及相关领域的产业将成为21世纪的主导产业之一。基因工程研究和应用范围涉及农业、工业、医药、能源、环保等许多领域。 基因工程应用于植物方面 农业领域是目前转基因技术应用最为广泛的领域之一。农作物生物技术的目的是提高作物产量，改善品质，增强作物抗逆性、抗病虫害的能力。基因工程在这些领域已取得了令人瞩目的成就。由于植物病毒分子生物学的发展，植物抗病基因工程也也已全面展开。自从发现烟草花叶病毒(TMV)的外壳蛋白基因导入烟草中，在转基因植株上明显延迟发病时间或减轻病害的症状，通过导入植物病毒外壳蛋白来提高植物抗病毒的能力，已用多种植物病毒进行了试验。在利用基因工程手段增强植物对细菌和真菌病的抗性方面，也已取得很大进展。植物对逆境的抗性一直是植物生物学家关心的问题。由于植物生理学家、遗传学家和分子生物学家协同作战，耐涝、耐盐碱、耐旱和耐冷的转基因作物新品种(系)也已获得成功。植物的抗寒性对其生长发育尤为重要。科学家发现极地的鱼体内有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长，从而免受低温的冻害并正常地生活在寒冷的极地中。将这种抗冻蛋白基因从鱼基因组中分离出来，导入植物体可获得转基因植物，目前这种基因已被转入番茄和黄瓜中。随着生活水平的提高，人们越来越关注口味、口感、营养成分、欣赏价值等品质性状。实践证明，利用基因工程可以有效地改善植物的品质，而且越来越多的基因工程植物进入了商品化生产领域，近几年利用基因工程改良作物品质也取得了不少进展，如美国国际植物研究所的科学家们从大豆中获取蛋白质合成基因，成功地导入到马铃薯中，培育出高蛋白马铃薯品种，其蛋白质含量接近大豆，**提高了营养价值，得到了农场主及消费者的普遍欢迎。在花色、花香、花姿等性状的改良上也作了大量的研究。 基因工程应用于医药方面 目前，以基因工程药物为主导的基因工程应用产业已成为全球发展最快的产业之一，发展前景非常广阔。基因工程药物主要包括细胞因子、抗体、疫苗、激素和寡核甘酸药物等。它们对预防人类的肿瘤、心血管疾病、遗传病、糖尿病、包括艾滋病在内的各种传染病、类风湿疾病等有重要作用。在很多领域特别是疑难病症上，基因工程工程药物起到了传统化学药物难以达到的作用。我们最为熟悉的干扰素(IFN)就是一类利用基因工程技术研制成的多功能细胞因子，在临床上已用于治疗白血病、乙肝、丙肝、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种疾病。目前，应用基因工程研制的艾滋病疫苗已完成中试，并进入临床验证阶段；专门用于治疗肿瘤的“肿瘤基因导弹”也将在不久完成研制，它可有目的地寻找并杀死肿瘤，将使癌症的治愈成为可能。由中国、美国、德国三国科学家及中外六家研究机构参与研制的专门用于治疗乙肝、慢迁肝、慢活肝、丙肝、肝硬化的体细胞基因生物注射剂，最终解决了从剪切、分离到吞食肝细胞内肝炎病毒，修复、促进肝细胞再生的全过程。经4年临床试验已在全国面向肝炎患者。此项基因学研究成果在国际治肝领域中，是继干扰素等药物之后的一项具有革命性转变的重大医学成果。 基因工程应用于环保方面
生物芯片技术研究进展
生物芯片技术研究进展 张智梁 摘要：随着DNA测序技术的发展和几种同时监测大量基因表达的新技术出现，人类基因组DNA序列分析可能很快完成，并由此产生了生物信息学，而DNA芯片技术应运而生。生物芯片主要是指通过微电子、微加工技术在芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、DNA、蛋白质、组织、糖类及其他生物组分进行快速、敏感、高效的处理和分析，是近些年来发展迅速的一项高新技术。生物芯片主要包括基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片等。 关键词：生物芯片；研究进展；应用 生物芯片是指通过微电子、微加工技术在芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、DNA、蛋白质、组织、糖类及其他生物组分进行快速、敏感、高效的处理和分析，其实质就是在面积不大的基片(玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体)表面上有序地点阵排列一系列已知的识别分子，在一定条件下，使之与被测物质(样品)结合或反应，再以一定的方法(同位素法、化学荧光法、化学发光法、酶标法等)进行显示和分析，最后得出被测物质的化学分子结构等信息。因常用玻片／硅片等材料作为固相支持物，且制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。这项技术是由美国旧金山以南的的一个新兴生物公司首先发展起来的。S.P.AForder及其同事于90年代初发明了一种利用光刻技术在固相支持物上光导合成多肽的方法，并在此基础上于l993年设计了一种寡核苷酸生物芯片，直至l996年制造出世界上第一块商业化的DNA芯片。在此期间国际上掀起了一片DNA芯片设计的热潮，出现了多种类型的DNA芯片技术。DNA芯片在产生的短短几年时间内技术不断，现已经显现出在基因诊断、基因表达分析和新基因的发现、蛋白组学方面的应用、基因组文库作图等生物医学领域中的应用价值。 l、生物芯片的分类 目前常见的生物芯片分为3类：第1类为微阵列芯片，包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片；第2类为微流控芯片(属于主动式芯片)，包括各类样品制备芯片、聚合酶链反应(PCR)芯片、毛细管电泳芯片和色谱芯片等；第3类为以生物芯片为基础的集成化分析系统(也叫“芯片实验室”，是生物芯片技术的最高境界)。“芯片实验室”可以完成如样品制备、试剂输送、生化反应、结果检测、信息处理和传递等一系列复杂工作。这些微型集成化分析系统携带方便，可用于紧急场合、野外操作甚至放在航天器上。 2、生物芯片的应用 2．1基因测序基因芯片利用固定探针与样品进行分子杂交产生的杂交图谱而排列出待测样品的序列，这种测定方法快速，具有十分诱人的前景。芯片技术能辨别单核苷酸多态性(SNPs)，当基因组序列中的单个核苷酸发生突变，就会引起基因组DNA序列变异。Hacia等用含有48000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑猩猩和人BRCAl基因序列差异，结果发现在外显子11约3．4kb长度范围内的核酸序列同源性为83．5％～98．2％，提示了二者在进化上的高度相似性。Check 等通过运用DNA微集阵列分析研究与早期心血管疾病相关的候选基冈一丁SP基冈家族，结果发现TSP-1和TSP-4基因错义变异与早期冠状动脉疾病相关，它们在m液凝固和动脉修复中起重要作用，而丁SP一2基冈非编码区的突变却在心脏病的发生过程有一定的保护作用。在卵巢癌发展过程中，基因TP53起到临界
转基因动物技术应用研究进展汇总
转基因动物技术应用研究进展 摘要：本文主要对动物转基因技术发展状况作了概述，重点是近年发展的提高转基因效率的非定点整合转基因方法, 如睾丸转基因法和卵巢转基因法; 提高转基因精确性的定点整合转基因的基因打靶法作了介绍。然后对转基因技术的应用作了论述，最后对转基因技术的发展前景作了展望。 关键字：动物转基因技术；应用；展望 Progress on Techniques for Producing Transgenic Animals And their Application Abstract: This review describes the recently developed animal gene transfer techniques, including gene transfer into the testis and ovary for easily making non-site specific methods; gene targeting in embryonic stem cells, somatic cells and primordial germ cells for site specific methods.The application and prospect of transgenic technology was also discussed. Key words: animal gene transfer technique; application;prospect 动物转基因技术是将外源基因移入动物细胞并整合到基因组中, 从而使其得以表达。自Palmiter等[1] (1982)把大鼠生长激素基因导入小鼠受精卵获得超级巨鼠以来,世界各国科学家对转基因技术应用于动物生产的研究产生了极大的兴趣,并相继在兔、羊、猪、牛、鸡、鱼等动物上获得转基因成功。转基因动物研究是近年来生命科学中最热门、发展最快的领域之一,其应用已广泛渗透于分子生物学、发育生物学、免疫学、制药及畜牧育种等各个研究领域中。这项技术正在对动物生产产生一场新的革命,在提高生长速度、生产性能,改善产品品质、抗病育种、基因治疗等方面取得了可喜的进展,显示出诱人的应用前景。 1 转基因动物技术 1.1 显微注射法 这一方法是发展最早,目前应用最广泛和最为有效的制作转基因动物的方法,创始人是Jaenisch和Mintz等,Gorden等[2]和最先通过此法获得转基因动物。其基本原理是:通过显微操作仪将外源基因直接用注射器注入受精卵,利用受精卵繁殖过程中DNA的复制过程,将外源基因整合到DNA中,发育成转基因动物。 1.2 逆转录病毒载体导入法 将目的基因重组到逆转录病毒载体上,制成高滴度的病毒颗粒,人为感染着床前后的胚胎,
基因工程的现状与发展趋势
题目：基因工程的现状与发展趋势专业：13食品科学与工程 学号：132701105 姓名：盛英奇 日期：2015/7/1
【摘要】从20世纪70 年代初发展起来的基因工程技术，经过40多年来的进步与发展，已成为生物技术的核心内容。生物学成为21世纪最重要的学科，基因工程及相关领域的产业将成为21世纪的主导产业之一。基因工程研究和应用范围涉及农业、工业、医药、能源、环保等许多领域。 【关键词】基因工程技术；应用；前景；现状 一、墓因工程的原理及研究内容 基因工程是人们在揭示生命之谜的过程中建立起来的。早在300多年前，人们就发现，世界上生物尽管种类繁多，千姿百态，但都是细胞(如肉眼看不见的细菌等微生物)或者是由细胞构成的(如现存的200多万种多细胞动植物)。人们还发现，生物有遗传和变异的特征，遗传保证了生物种类的延续不断，变异则赋予生物种的进化，保证生物种类对环境的适应。而生物的所有特性及遗传变异都是由生物体细胞内的遗传物质所决定的，这种遗传物质就是被科学家称之为脱氧核糖核酸(简称DNA)的大分子物质，一般位于生物的细胞核内。DNA是由许多核昔酸连接而成的高分子化合物，如把DNA比喻成长链条，核昔酸就是组成这链条的一个个环节。生物细胞核内的DNA分子是由两条成对的多核昔酸长链互相缠人类开始学会干预生物的变异，即通过杂交、筛选等方式改变生物物种的某些特性，使之有利于人类，如水稻、小麦等作物的育种，家禽家畜优良品系的培育等，它是通过动植物父、母本交配繁殖时，生殖细胞内DNA上相应性状基因互相间可能出现的交换来实现的，这种交换的概率是人们不能控制的，所以选种的过程较为缓慢，需几年乃至几十年的时间，而且亲缘关系相差较远的生物种之间很难杂交。而本世纪}o年代初诞生的基因工程，则是按照人类的需要，从某种生物体的基因组中，分离出带有目的基因(即所需基因)的DNA片段，运用重组DNA技术，对这些DNA片段进行体外操作，把不同来源的基因按照设计的蓝图，重新构成新的基因组(即重组体)，再将重组DNA分子插入到原先没有这类DNA 片段的受体细胞(亦称宿主细胞)的DNA上，并使其不仅能“安家落户”，而且能“传种接代”，即能准确地把该外源基因的遗传特性在新的细胞(宿主细胞)里增殖和表达出来。就像一台机器上的零部件拆下来安装到另一台机器上。在生物体中，这种生命零件就是基因。因为用的是工程技术的方法原理，故称基因工程，亦叫遗传工程。用这种方法所形成的杂种DNA分子与神话中的那种狮首、羊身、
基因芯片技术的应用和发展趋势
基因芯片技术的应用和发展趋势 随着基因芯片技术的日渐成熟, 在功能基因组、疾病基因组、系统生物学等领域中得到了广泛的应用, 已经发表了上万篇研究论文, 每年发表的论文呈现增长的趋势. 芯片制备技术极大地推进了生物芯片的发展, 从实验室手工或机械点制芯片到工业化原位合成制备, 从几百个点的芯片到几百万点的高密度芯片, 生物芯片从一项科学成为一项技术, 被越来越多的研究者广泛运用. 各个实验室不断产生海量的杂交数据, 相同领域的研究者需要比较不同实验平台产生的数据, 作为基于分子杂交原理的高通量技术, 芯片实验的标准化、可信度、重现性和芯片结果是否能作为定量数据等问题成为所有的芯片使用者关心的课题. 迈阿密原则和微阵列质量控制系列研究回答了这两个问题. 迈阿密原则(Minimum Information About a Micro- array Experiment, MIAME, 微阵列实验最小信息量)提出了生物芯片标准化的概念, 该原则的制定使世界各地实验室的芯片实验数据可以为所有的研究者共享. 同 时, 美国国家生物信息学中心(NCBI)和位于英国的欧洲生物信息学研究所(EBI)也建立了GEO ( https://www.360docs.net/doc/3c18597686.html,/geo/)和ArryExpress (http:// ;https://www.360docs.net/doc/3c18597686.html,/arrayexpress/)公共数据库, 接受和储存全球研究者根据迈阿密原则提交的生物芯片数据, 对某项研究感兴趣的研究人员可以下载到相关课题的芯片原始数据进行分析. 2006年美国FDA联合多个独立实验室进行了MAQC系列实验(micro array quality control, MAQC), 旨在研究目前所使用的芯片平台的质量控制. 该研究的12篇系列文章发表在2006年9月份的Nature Biotechnology 上, 用严格的实验分析了目前主流芯片平台数据质量, 芯片数据和定量PCR结果之间的相关性, 芯片数据均一化方法, 不同芯片平台之间的可重现性. 证明了不同芯片平台产生的数据具有可比性和可重现性, 各种芯片平台之间的系统误差远远小于人为操作和生物学样品之间本身的差异, 肯定了芯片数据的可信性, 打消了以往对芯片数据的种种猜疑, 明确了基于杂交原理的芯片同样可以作为一种定量的手段. 推动了生物芯片技术在分子生物学领域更广泛的应用. 生物信息学和统计学是在处理基因芯片产生的海量数据中必不可少的工具. 随着芯片应用的推进, 芯片数据分析的新理论和新算法不断地被开发出来, 这些方法帮助生物学家从海量的数据里面快速筛选出差异表达的基因. 一次芯片实验获得的是成千上万个基因的表达信息, 任何一种单一的分析方法都很难将所有蕴含在数据中的生物学信息全部提取出来, 从近年来生物信息学研究的趋势来看, 目前研究的重点开始转向芯片数据储存、管理、共享和深度信息挖掘, 旨在从芯片数据中获得更多的生物学解释, 而不再停留在单纯的差异表达基因筛选上。 目前基因芯片的制备向两个主要方向发展. 第一, 高密度化, 具体表现为芯片密度的增加, 目前原位合成的芯片密度已经达到了每平方厘米上千万个探针. 一张芯片上足以分析一个物种的基因组信息. 第二, 微量化, 芯片检测样品的微量化, 目前芯片检测下限已经能达到纳克级总RNA水平, 这为干细胞研究中特别是IPS干细胞对单个细胞的表达谱研究提供了可能. 另一方面, 微量化也体现芯片矩阵面积的微量化, 即在同一个芯片载体上平行的进行多个矩阵的杂交, 大大减少系统和批次可能带来的差异, 同时削减实验费用. 微阵列技术改变了生物学研究的方法, 使得微量样品快速高通量的分析成为可能, 从单个基因的研究迅速扩展到全基因组的系统生物学研究. 微阵列技术帮助生物学研究进入后基因组时代, 研究成果层出不穷。 2001年国家人类基因组南方研究中心韩泽广博士研究小组利用cDNA芯片对肝癌和正常组织中的12393个基因和EST序列进行了表达谱筛查, 其中发现了2253个基因和EST在肝癌中发生了差异表达, 并对这些差异基因的信号通路进行了分析, 发现WNT信号通路在肝癌的发生中出现了表达异常. 2002年中国科学院神经科学研究所张旭博士研究组利用表达谱芯片对大鼠外周神经损伤模型背根神经节的基因表达进行了研
基因芯片技术及其应用简介(精)
基因芯片技术及其应用简介 生物科学学院杨汝琪 摘要:随着基因芯片技术的发展,基因芯片越来越多的被人们利用,它可应用于生活中的方方面面,如:它可以应用于医学、环境科学、微生物学和农业等多个方面,基因技术的发展将有利于社会进一步的发展。 关键词:基因芯片;技术;应用 基因(gene是载有生物体遗传信息的基本单位,存在于细胞的染色体(chromosome上。将大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上,称之为基因芯片(又称DNA 芯片、生物芯片。在一块1 平方厘米大小的基因芯片上,根据需要可固定数以千计甚至万计的基因片段,以此形成一个密集的基因方阵,实现对千万个基因的同步检测。基因芯片技术是近年来兴起的生物高新技术,把数以万计的基因片段以显微点阵的方式排列在固体介质表面,可以实现基因检测的快速、高通量、敏感和高效率检测,将可能为临床疾病诊断和健康监测等领域,带来全新的技术并开拓广阔的市场。 1 基因芯片技术原理及其分类 1.1基因芯片的原理: 基因芯片属于生物芯片的一种"其工作原理是:经过标记的待测样本通过与芯片上特定位置的探针杂交,可根据碱基互补配对的原则确定靶序列[1],经激光共聚集显微镜扫描,以计算机系统对荧光信号进行比较和检测,并迅速得出所需的信息"基因芯片技术比常规方法效率高几十到几千倍,可在一次试验中间平行分析成千上万个基因,是一种进行序列分析及基因表达信息分析的强有力工具。 1.2基因芯片分类: 1.2.1根据其制造方法可分原位合成法和合成后点样法;
1.2.2根据所用载体材料不同分为玻璃芯片!硅芯片等; 1.2.3根据载体上所固定的种类可分为和寡核苷酸芯片两种; 1.2.4根据其用途可分测序芯片!表达谱芯片!诊断芯片等 2 基因芯片技术常规流程 2.1 芯片设计根据需要解决的问题设计拟采用的芯片,包括探针种类、点阵数目、片基种类等。 2.2 芯片制备将DNA, cDNA或寡核昔酸探针固定在片基上的过程。从本质上可分为两大类fz} ,一类是在片基上直接原位合成,有光蚀刻法、压电印刷法和分子印章多次压印法三种;另一类是将预先合成的探针固定于片基表面即合成点样法。 2.3 样品制备常规方法提取样品总RNA,质检控制。再逆转录为。DNAo 2.4 样品标记在逆转录过程中标记荧光素等。 2.5 芯片杂交标记的cDNA溶于杂交液中,与芯片杂交。 2.6 芯片扫描一用激光扫描仪扫描芯片。 2.7 图像采集和数据分析专用软件分析芯片图像,然后对数据进行归一化,最后以差异为两倍的标准来确定差异表达基因。 2.8 验证用定量PCR或原位杂交验证芯片结果的可信性。 3基因芯片合成的主要方法 目前已有多种方法可以将基因片段(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: 3.1原位合成:
小麦转基因研究进展
转基因小麦研究进展及前景 摘要：自第一株转基因小麦报道以来，小麦转基因育种研究发展迅速，通过转基因技术实现的小麦遗传转化弥补了经典小麦育种的不足，突破了可利用基因库的限制，取得了可喜的进展。简要介绍了基因枪法、农杆菌介导法和花粉管通道法等基因转化方法在小麦遗传转化中的应用，讨论了转基因技术在获得抗除草剂、抗病虫、抗逆、改良品质和雄性不育转基因小麦植株等方面的应用现状及其存在的主要问题与对策。 关键词：小麦；转基因；分子育种；进展 采用远缘杂交技术将小麦野生近缘物种中的有益外源基因导入小麦栽培品种，对其抗性、品质、产量的提高发挥了重要作用。但由于双亲亲缘关系较远造成杂交不结实、杂种不育、杂种后代长期分离、预见性差，使该技术在小麦遗传改良上的应用受到一定限制。 植物转基因技术被证明是进行外源基因定向转移独特而有力的手段，一定程度上补充或改进了传统的育种方法。通过植物遗传转化技术，可以按照需要，将有遗传信息的DNA 片段即目的基因进行人工重组，在离体条件下转入宿主细胞进行复制、表达，定向改造植物，可以打破基因流的界限，而且大大缩短育种周期。小麦是举世公认的最难转化的重要农作物之一，且转基因研究起步较晚，经过许多学者十几年的不懈努力，取得了长足的进展。目前，几乎所有的作物都开展了转基因研究，育种目标涉及到高产、优质、高效、兼抗性及多用途等诸多方面，一批抗逆性（如抗病、抗虫、抗除草剂）转基因作物已进入商品化生产阶段。美国研制成功的世界第一例抗草甘磷除草剂转基因小麦已经通过安全性试验；抗草胺膦转基因小麦、抗咪唑啉酮转基因小麦、高蛋白转基因小麦、抗虫和耐镇草宁除草剂转基因小麦、抗蚜虫转基因小麦、抗小麦黄花叶病毒转基因小麦，以及抗白粉病、赤霉病和黄矮病的转基因小麦正在田间释放[1,2]；高分子量谷蛋白亚基转基因小麦[3]、转Trx-S 基因抗穗发芽小麦新品系已进入中试阶段[4]。近年来，中国在小麦转基因方面也取得了初步的进展，并获得了一批具有抗病虫、抗逆境及改善品质的转基因小麦新材料，部分品系已经进入环境释放阶段。本文概述了小麦转基因研究常用遗传转化技术及其在小麦遗传改良中的应用，讨论了存在的主要问题及采取的应对措施。 1 小麦转基因技术 小麦转基因技术是指用人工方法将外源基因或DNA 导入小麦细胞，使之稳定地整合、表达并遗传的综合技术。小麦转基因技术可根据转化目的基因否需要通过组织培养再生植株分为两大类，第一类需要通过组织培养，常用的方法有农杆菌介导法、基因枪介导法、花粉管通道法等；第二类不需要通过组织培养，如PEG法、电激法等。在小麦遗传改良中应用最广泛的是第一类方法。 1.1 花粉管通道法 中国学者周光宇1974 年提出的DNA 片段杂交假说是花粉管通道法的理论基础，他于1983 年建立了花粉管通道法，该技术利用植物授粉后花粉萌发形成的花粉管，将外源DNA 送入胚囊中尚不具备正常细胞壁的合子。利用该法进行基因转移的工作主要集中在中国。1992 年，周文麟等通过花粉管法将C4作物的DNA 导入小麦，获得了具有C4作物若干性状的转“基因”后代[5]。随后，曾君祉等利用该法将带有GUS基因的pBI121 质粒导入小山3号，获得 5株转基因植株，转化率为4.7%[6]。阎新甫等将抗白粉病的大麦DNA导入花76，既获得了符合遗传规律的稳定抗病后代，还明确了抗白粉病基因由一对显性基因控制[7]。Ziberstein A 等将质粒DNA 涂于授粉的柱头，提高了转化频率，并完成后代分析和分子鉴定[8]。成卓敏等将大麦黄矮病毒GPV 株系的外壳蛋白基因导入小麦品种，获得了抗黄矮病毒GPV 的转基
基因芯片技术的研究进展与前景
基因芯片技术的研究进展与前景 摘要 关键词基因芯片，遗传性疾病，基因组计划， 一、基因芯片技术的产生背景 基因芯片技术是伴随着人类基因组计划而出现的一项高新生物技术。2001年6月公布了人类基因组测序工作草图；2002年出发飙了较高精确度和经过详细注解的人类基因组研究结果；2004年10月发表了已填补基因组中许多Gap片段的更精确的人类全基因组序列，标志人类基因组计划的完成和新时代的开始。随着人类基因组计划的开展，也同时进行了模式生物基因组测序工作。动物、植物、细菌及病毒基因组等测序工作都已取得重大进展。 随着各种基因组计划的实施和完成（有的即将完成），一个庞大的基因数据库已经建成。怎样从海量的基因信息中发掘基因功能。如何研究成千上万基因在生命过程中所担负的角色；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；解释人类遗传进化、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……这些都将成为现代生物学面临的最大挑战。这样的背景促使人们研究和开发新的技术手段来解决后基因组时代面临的一系列关键问题。20世纪90年代初，为适应“后基因组时代”的到来，产生了一项新的技术，即以基因芯片为先导的生物芯片技术。 二、基因芯片的概念 基因芯片（又称DNA芯片、DNA微阵列）技术是基于核酸互补杂交原理研制的。该技术指将大量（通常每平方厘米点阵密度高于400 ）探针分子固定于支持物上后与有荧光素等发光物质标记的样品DNA或RNA分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息，从而对基因表达的量及其特性进行分析。通俗地说，就是通过微加工技术，将数以万计、乃至百万计的特定序列的DNA片段（基因探针），有规律地排列固定于2cm2的硅片、玻片等支持物上，构成的一个二维DNA探针阵列，与计算机的电子芯片十分相似，只是在固相基质上古高度集成的不是半导体管，而是成千上万的网格状密集排列的基因探针，所以被称为基因芯片。 三、基因芯片技术的分类 1 根据功能分类：基因表达谱芯片和DNA测序芯片两类。基因表达图谱芯片可以将克隆的成千上万个基因特异的探针或其cDNA片段固定在一块DNA芯片上，对于来源不同的个体、组织、细胞周期、发育阶段、分化阶段、病变、刺激（包括不同诱导、不同治疗手段）下的细胞内mRNA或反转录后产生的cDNA进行检测，从而对这个基因表达的个体特异性、组织特异性、发育阶段特异性、分化阶段特异性、病变特异性、刺激特异性进行综合的分析和判断，迅速将某个或某几个基因与疾病联系起来，极大地加快这些基因功能的确定，同时可进一步研究基因与基因间相互作用的关系，DNA测序芯片则是基于杂交测序发展起来的。其原理是任何线状的单链DNA或RNA序列均可裂解成一系列碱基数固定、错落而重叠的寡核苷酸，如能把原序列所有这些错落重叠的寡核苷酸序列全部检测出来，就可据此重新组建出新序列。 2 根据基因芯片所用基因探针的类型不同，可分为cDNA微阵列和寡核苷酸微阵