微阵列资料分析(Microarray Data Analysis)

微阵列资料分析(Microarray Data Analysis)
微阵列资料分析(Microarray Data Analysis)

微陣列資料分析(Microarray Data Analysis)

蔡政安副教授

前言

在人類基因體定序計劃的重要里程碑陸續完成之後,生命科學邁入了一個前所未有的新時代,在人類染色體總長度約三十億個鹼基對中,約含有四萬個基因,這是生物學家首次以這麼宏觀的視野來檢視生命現象,而醫藥上的研究方針亦從此改觀,科學研究從此正式進入後基因體時代。微陣列實驗(Microarray) 及其它高產能檢測(high-throughput screen) 技術的興起,無疑將成為本世紀的主流;微陣列實驗主要的優勢再於能同時大量地、全面性地偵測上萬個基因表現量,透過基因晶片,可在短時間內找出可能受疾病影響基因,作為早期診斷的生物指標(biomarker)。然而,由於這一類技術的高度自動化、規模化及微型化的特性,使得他們所生成的資料量非常龐大且資料型態比一般實驗數據更加複雜,因此,傳統統計分析方法已經不敷使用。在此同時,統計學家並未在此重要時刻缺席,提出非常多新的統計理論和方法來分析微陣列實驗資料,也廣受生物學家所使用。由於微陣列資料分析所牽涉的統計問題層面相當廣且深入,本文僅針對整個實驗中所衍生的統計問題加以介紹,並介紹其中一些新的圖形工具用以呈現分析結果。

基因晶片的原理

微陣列晶片即一般所謂的基因晶片,也是基因體計畫完成後衍生出來的產品,花費成本雖高,但效用無限,是目前所有生物晶片中應用最廣的,由於近年來不斷改進,也是最有成效的生物技術。一般而言,基因晶片是利用微處理技術,先把人類所有的基因分別固著在一小範圍的玻璃片(glass slide)、薄膜(membrane)或者矽晶片上;然後,可以平行地、大量地、全面性地偵測基因體中mRNA的量,也就是偵測基因的調控及相互作用表現。目前微陣列晶片大致分為以下兩種平台(如圖一) : cDNA 晶片及高密度寡核甘酸晶片(high-density oligonucleotide),兩種系統無論在晶片的製程及樣本處理上皆有相當的差異,因此在分析上也略有不同,以下便就晶片的特性約略介紹。

1.cDNA 晶片: 基本上晶片上的探針(probes)及準備進行雜合反應(hybridization)

的樣本(Targets)皆來自於cDNA。正常及癌組織中萃取的mRNA經反轉錄後,分別標上綠色(Cy3)和紅色(Cy5)螢光標記,並同時和晶片進行雜合反應,反

應後經過雷射掃描器顯像,綠色螢光點表示正常組織的基因表現高於癌組織;紅色螢光點表示癌組織的基因表現高於正常組織;當基因表現不變時,即呈黃色螢光。經影像分析軟體可將影像強度轉換成數據資料,用以分析有顯著差異表現之基因。

2.高密度寡核甘酸晶片: 高密度寡核甘酸晶片主要由25個鹼基所構成的探針對(probe

pair)所組成,而每一個基因由16-20個探針對來代表,每組探針對包括perfect-match (PM) 和miss-match (MM) 探針,MM探針除了中間鹼基不同於PM探針外,兩者有相同的DNA序列,主要爲內部對照之用。不同於c DNA晶片,正常及癌組織中萃取的mRNA分別和不同的晶片進行雜合反應,所以只使用單色螢光標記。

經影像分析軟體可將螢光強度轉換成數據資料,再利用不同的統計模型將每個基因所對應的探針對整合來顯示基因的表現程度。

微陣列資料統計分析

雖然微陣列實驗能快速有效地偵測表現差異的基因,也已廣泛應用在生物研究上,然而由於實驗的複雜性和特異性也使得分析上的困難度增加;近年來,由於各學術領域研究學者的加入探索並針對實驗中各步驟提出各式改進分析的方法,使得整個微陣列實驗的精確性及可靠度增加至一定的水準,從早期僅用表現差異(fold-change)的大小來篩選有差異表現基因到現在許多複雜計算的統計或數學模型。本文將微陣列資料分析分成五大部份(如圖二),並介紹其中所牽涉相關的統計問題,這五大分析要素關係整體分析的品質及準確性,分別為:

(一)實驗設計: 透過詳細完整的實驗設計可以使得資料的品質和效度達到最佳化。實驗

設計包括樣本數估計,其中樣本數可分為生物性(biological replicates)及技術性樣本(technical replicates);在晶片上品質管制的設計;根據不同微陣列平台及研究因子設計最佳實驗配置等。

(二)資料的前置處理: 由於微陣列實驗的雜訊、系統及非系統上變異等干擾因子,因此

在進行統計推論之前,需要對資料先行處理。前置處理包括影像分析及正規化用以移除系統性變異;資料轉換及篩選;缺失值插補等。資料的前置處理相當繁複,且不同微陣列平台各有不同處理程序,但是此步驟卻非常關鍵,關係著往後分析的精

確性,不可輕忽。在雙色cDNA微陣列中常用的正規化方法如LOWESS平滑曲線調整(如圖三(b) )。

(三)顯著性分析: 以統計方法檢定有顯著差異的基因,這也是微陣列實驗主要目的之

一。近年來有非常多學者提出不同統計方法來偵測有顯著差異的基因,但由於在微陣列實驗中需要同時檢定上萬個基因,其中有一個非常重要的統計議題,是關於多重檢定(multiple testing)的問題,有別於傳統控制family-wise error rate(FWER) 的方法太過保守以至於檢定力過低,另外控制false discovery rate(FDR) 的方法可提供有效解決方案。常用的統計方法有SAM(如圖三(c))及混合模型(Mixture model) 等可控制挑選基因中犯錯的比率(FDR)至研究者設定的標準,此外可同時利用兩種以上檢定法則來挑選有顯著差異的基因,如圖三(d)所示之Volcano plot 利用表現平均差異質(fold-change)和統計檢定的P值(p-values)來挑選有顯著差異的基因。

(四)群集分析和預測分析: 群集分析(Clustering analysis)可由兩個方向來討論,基因和受

測組織(如圖三(a)),基因的群集分析主要想找出具有相似表現型態的基因群集,並配合生物上代謝及傳導功能來輔助解釋;而受測組織的群集分析可用來評估受測樣本的變異程度(variation)及實驗的再現性(reproducibility),同時也可藉由群集分析中發現疾病的次型態。預測分析(Prediction)或分類法則(Classification)主要目的想利用基因表現資料建構分類法則(如圖三(e)),用以預測疾病的發生,其中包括如何從眾多基因中挑選重要的預測因子(feature selection),以及預測模型的建構等,此分析的目標是希望從微陣列實驗中找出可能受疾病影響基因,作為早期診斷的生物指標(biomarker),並成功建立診斷模型。

(五)相關分析及實驗確認: 經過以上分析,我們可找出具有表現差異或疾病診斷的基

因,但是還是要和生物現象做緊密結合,可以經由對照大型公用生物資料庫,如GO、KEGG和BioCarta Pathways等,來描述及觀察基因在生物功能註解及動態圖解模型互動關係。此外,使用較精確的實驗(如RT-PCR)來作進ㄧ步分析確認也是不可獲缺的步驟。

結論

DNA雙股螺旋結構模型發表至今50 年,在全世界科學家不斷地探索下已了解七千多個基因的功能。在四萬個基因中,目前尚有三萬多個基因的功能,或可能有的致病因子及生物醫學用途,我們仍一無所知。透過基因體定序計畫及基因晶片的應用,可快速探測這些基因在各類疾病或生物體變動中的功能,加速我們對各生物體所有基因的了解。

參考文獻

David B. Allison, Xiangqin Cui, Grier P. Page, Mahyar Sabripour, (2006). Microarray data analysis: from disarray to consolidation and consensus. NATURE REVIEWS GENETICS, 7(1), 55-65.

圖一: Principles of two major microarray platforms: cDNA array and high-density oligonucleotide array.

圖二: Guidelines for the statistical analysis of microarray experiments.

圖三: Visualization tools for microarray analysis

2014年染色体微阵列分析技术在产前诊断中的应用专家共识

染色体微阵列分析技术在产前诊断中的应用专家共识 染色体微阵列分析技术在产前诊断中的应用协作组 目前,G 显带染色体核型分析技术仍然是细胞遗传学产前诊断的“金标准”,但该技术具有细胞培 养耗时长、分辨率低以及耗费人力的局限性。包括荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization,FISH) 技术在内的快速产前诊断技术的引入虽然具有快速及特异性高的优点,但还不能 做到对染色体组的全局分析。 染色体微阵列分析(chromosomal mlcroarray analysis,CMA) 技术又被称为“分子核型分析”, 能够在全基因组水平进行扫描,可检测染色体不平衡的拷贝数变异(copy number variant,CNV),尤其是 对于检测染色体组微小缺失、重复等不平衡性重排具有突出优势。 根据芯片设计与检测原理的不同,CMA 技术可分为两大类:基于微阵列的比较基因组杂交(array- based comparative genomic hybridization ,aCGH) 技术和单核苷酸多态性微阵列(single nucleotide polymorphism array,SNP array) 技术。 前者需要将待测样本DNA 与正常对照样本DNA 分别标记、进行竞争性杂交后获得定量的拷贝数 检测结果,而后者则只需将待测样本DNA 与一整套正常基因组对照资料进行对比即可获得诊断结果。 通过aCGH 技术能够很好地检出CNV,而SNP array 除了能够检出CNV 外,还能够检测出大多 数的单亲二倍体(uniparental disomy,UPD) 和三倍体,并且可以检测到一定水平的嵌合体。而设计涵 盖CNV+SNP 检测探针的芯片,可同时具有CNV 和SNP 芯片的特点。 2010 年,国际细胞基因组芯片标准协作组(lntemational Standards for Cytogenomic Arrays Consortium,ISCA Consortium) 在研究了21698 例具有异常临床表征,包括智力低下、发育迟缓、多 种体征畸形以及自闭症的先证者的基础上,发现aCGH 技术对致病性CNV 的检出率为 12.2%,比传统 G 显带核型分析技术的检出率提高了10%。 因此,ISCA Consortium 推荐将aCGH 作为对原因不明的发育迟缓、智力低下、多种体征畸形以及 自闭症患者的首选临床一线检测方法。近年来,CMA 技术在产前诊断领域中的应用越来越广泛,很多研 究也证明了该技术具有传统胎儿染色体核型分析方法所无法比拟的优势。 CMA 对非整倍体和不平衡性染色体重排的检出效率与传统核型分析方法相同,并具有更 高的分辨率和敏感性,且CMA 还能发现额外的、有临床意义的基因组CNV,尤其是对于产前超声检查发现胎儿结构异常者,CMA 是目前最有效的遗传学诊断方法。 基于上述研究结果,不少学者认为,CMA 技术有可能取代传统的核型分析方法,成为产前遗传学诊断的一线技术。但到目前为止,尚缺乏基于人群的大规模应用研究结果。 目前,在国内CMA 只有少数具有技术条件和资质的医疗机构进行了小规模的探索,大致有以下几类临床应用情况: 1.儿童复杂、罕见遗传病,如:智力障碍、生长发育迟缓、多发畸形、孤独症样临床表现,排除染色体病、代谢病和脆性X 综合征之后的全基因组CNV 检测。 2.对自然流产、胎死宫内、新生儿死亡等妊娠产物(product of concept,POC) 的遗传学检测。 3.对产前诊断中核型分析结果异常,但无法确认异常片段的来源和性质者进行DNA 水平的更精细分析。 4.对产前超声检查异常而染色体核型分析结果正常的胎儿进一步行遗传学检测。 在产前诊断领域中,CMA 的应用主要在后两种情况中。虽然目前应用研究的范围不广,积累的例数也不多,但却显现出一些问题的存在,主要表现在: 1.在部分开展应用的医疗机构,对CMA 检测前和检测后的产前咨询能力存在不足。

基因微阵列数据中的聚类技术研究

基因微阵列数据中的聚类技术研究 第l6卷第2期 2006年2月 计算机技术与发展 C()NIPUTERTE({N0l)【YANI)I)EVE1』)ljMEN7, V(,l16NO.2 Feb.2006 基因微阵列数据中的聚类技术研究 马煜,陈莉,方鹤鹤 (西北大学计算机科学系,陕西西安710069) 摘要:微阵列技术是后基因时代功能基因组研究的主要工具.由于采用了高效的并行杂交技术,每次实验可以得到大量 丰富的数据,因此其结果分析成为一项很有挑战性而且具有重要意义的工作.聚类分析是微阵列数据分析中使用最为广 泛的一类方法.微阵列实验得到的大量数据通过聚类分析,可以得到很多有用的信息,其成功应用已广泛涉及到基因功能 研究和生物医学研究中的各个领域.文中介绍了基因微阵列数据的聚类分析方法及其重要应用. 关键词:微阵列;基因表达谱;聚类分析 中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1005—3751(2006)02一Ol17—03 ClusteringAnalysisofMicroarrayGeneExpressionData MAYu,CHENLi,FANGHe-he (DepartmentofComputerScience,NorthwestUniversity,Xi'an710069,China) Abstract:Microarraytechnologyisthechieftoolforfunctionalgenomeresearch.Asadoptin gthehighefficientandparallelDNAhy? bridizaitontechnology,canachieveadundantdatafromeachexperiment,sothedataanalysis ofmicroarraysdatabecomesamorechalleng?

阵列感应测井原理及应用

阵列感应测井原理及应用 摘要:本文探讨了阵列感应测井原理,论述了在判断地层水矿化度方面的应用效果,阵列感应在使用中也存在一些缺陷,阵列感应在处理中,人为因素较大,不同的参数处理结果差异较大,这就造成了阵列感应在使用过程中对解释有一定的误导,引起对阵列感应可靠性的怀疑,这在以后的处理方法中有待改进。 关键词:阵列感应测井矿化度应用效果 一、阵列感应测井原理简介 阵列感应测井的最基本原理与普通感应测井原理类似,但它在硬件上采用简单的三线圈系结构,这种线圈系没有硬件聚焦功能,它采用数学方法对呈不对称形状的纵向响应曲线进行软件聚焦处理。它由7组接收线圈对和1个共用的发射线圈组成,实际上相当于具有7种线圈距的三线圈系。在接收线圈系的设计上充分考虑了以下几个问题:(1)、消除直藕信号;(2)、三线圈子阵列纵向特性的频率响应没有盲频;(3)、要有若干子阵列分别反映浅部和深部地层信息;(4)、各接收子阵列之间的间距应按一定规律变化和分布;(5)、离发射线圈较远的接收子阵列应考虑发射功率和接收信号的强度。 高分辨率阵列感应测井仪在硬件设计时充分考虑了上述因素,它的每个接收线圈系都由两个相互对称的线圈组成,即一个主接收线圈和一个辅助接收线圈,它利用了两个线圈电磁场叠加原理,来实现消除直藕信号影响的目的。在线圈系的排列上设计了最小线圈距为6in,最大线圈距为94in,在这两个线圈距之间采用了近似于指数形式的线圈系分布,即全部子阵列间距为6in、10in、15.7in、24.5in、38.5in、60in、94in。这种排列方式不仅有利于采集浅部地层和深部地层信号,而且有利于径向有效信息的均匀采样。发射信号是加到一个单独的发射线圈上的,这种方法能使发射器的有效功率变为最大,由发射线圈发射出的是一个形状为方形的电压波形(即方波),发射波采用方波是由于其具有较高的发射频率,对于给定的电压能使发射线圈的功率变为最大。而且它具有宽的频谱,它包括了方波频率(约等于10KHZ)及所有的奇次谐波的能量,因此每个线圈可以在10、30、50、70、90、110、130、150KHZ共8个频率下同时进行工作。 在阵列感应测井中,接收线圈子阵列接收到测量信号为复信号,即R信号和X信号,R信号也称为实部信号,与发射电流相位相同或相反;X信号又叫虚部信号,与发射电流相位垂直。该阵列感应测井仪器在测井数据采集方面使用了先进的多道全数字化采集技术,能够同时采集7组子阵列在8个工作频率上的R信号和X信号,共112个测量信号。再对这些原始测量信号进行“软件聚焦”,就可得出三种纵向分辨率和六种探测深度的阵列感应合成曲线。 二、在判断地层水矿化度方面的应用效果 根据前期理论和实际经验可知:在渗透性地层中,当井筒内泥浆柱的压力大

胎儿超声软指标异常的染色体微阵列分析

胎儿超声软指标异常的染色体微阵列分析 【摘要】目的探讨染色体微阵列分析技术(chromosomal microarry analysis,CMA)在超声软指标异常胎儿产前诊断中的应用价值。方法选取2015年10月至2017年12月于浙江省湖州妇幼保健院产前诊断中心就诊,超声检查发现软指标异常但未合并明确结构畸形的125例患者,包括多项软指标异常孕妇35例,单项软指标异常孕妇90例。入选病例已排除常见染色体非整倍体异常。对上述病例羊水行CMA 检测,并分析结果。结果CMA共检出致病性拷贝数变异(pathogenic copy number variation,pCNV)6例,检出率为4.80%。其中35例多项软指标异常胎儿中检出pCNVs 3例,检出率为8.57%;90例单项软指标异常胎儿中检出pCNVs 3例,检出率为3.33%;结论与传统染色体核型分析相比,CMA可以提高超声软指标异常胎儿染色体异常的检出率,有较高的临床应用价值。 【关键词】染色体微阵列分析;产前诊断;超声软指标异常Chromosomal Microarray Analysis of Abnormal Fetal Ultrasonographic Soft Markers 【Abstract】Objective:To explore the application value of chromosomal microarray analysis (CMA) in prenatal diagnosis of abnormal ultrasonographic soft markers. Methods: Choose in October 2015 to December 2017 in our hospital prenatal diagnosis center visits and abnormal ultrasonographic soft markers of 125 cases of fetus. There were 35 cases with multiterm soft markers, 90 cases with single soft 基金项目:染色体微阵列分析技术在中枢神经系统结构异常胎儿遗传学病因中的应用研究(2017GYB45)

基于微阵列的比较基因组分析

微阵列芯片(Microarray)以高密度阵列为特征。其基础研究始于20世纪80年代末,本质上是一种生物技术,主要是在生物遗传学领域发展起来的。 微阵列分为cDNA微阵列和寡聚核苷酸微阵列.微阵列上"印"有大量已知部分序 列的DNA探针,微阵列技术就是利用分子杂交原理,使同时被比较的标本(用同位素或荧光素标记)与微阵列杂交,通过检测杂交信号强度及数据处理,把他们转化成不同标 本中特异基因的丰度,从而全面比较不同标本的基因表达水平的差异.微阵列技术是一种探索基因组功能的有力手段. 其发展契机主要来自于现代遗传学的一些重要发现,并直接收益于该领域的某些重要研究成果,即在载体上固定寡核苷酸的基础上以杂交法测序的技术。因此发展早期,微阵列芯片有时被通俗的称为“生物芯片(Biochip)”,目前媒体和科普读物中仍然常用该名称。微阵列芯片经过近十年的主要发展期,国内外学术界渐渐采用名称Microarray(微阵列芯片),而Biochip(生物芯片)由于这名称容易混淆微阵列芯片和微流控芯片,渐渐该领域用的越来越少了。 比较基因组杂交技术 比较基因组杂交(comparative genomic hybridization,CGH)是自1992年后发展起来的一种分子细胞遗传学技术,它通过单一的一次杂交可对某一肿瘤整个基因组的染色体拷贝数量的变化进行检查。其基本原理是用不同的荧光染料通过缺口平移法分别标记肿瘤组织和正常细胞或组织的DNA制成探针,并与正常人的间期染色体进行共杂交,以在染色体上显示的肿瘤与正常对照的荧光强度的不同来反映整个肿瘤基因组DNA表达状况的变化,再借助于图像分析技术可对染色体拷贝数量的变化进行定量研究。 CGH技术的优点:1.实验所需DNA样本量较少,做单一的一次杂交即可检查肿瘤整个基因组的染色体拷贝数量的变化。2.此法不仅适用于外周血、培养细胞和新鲜组织样本的研究,还可用于对存档组织的研究,也可用于因DNA量过少而经PCR扩增的样本的研究。CGH技术的局限性:CGH技术所能检测到的最小的DNA扩增或丢失是在3-5Mb,故对于低水平的DNA扩增和小片段的丢失会漏检。此外在相差染色体的拷贝数量无变化时,CGH技术不能检测出平等染色体的易位。

微阵列分析

微阵列分析与基因差异表达 药物基因组学中的基因表达分析目前主要应用于创新药物研究和开发。同时,基因表达谱已经开始为慢性致命性疾病的药物治疗效应提供预测信息,并指导治疗选择,而寡核苷酸微阵列平台具有应用于药物基因组学研究的潜在优势。 微阵列分析的特点: 与DNA顺序分析和基因分型不同,微阵列基因表达分析的分析物是信使RNAs (mRNA)。信使RNAs的不稳定性要比DNA大得多,对操作方面的要求非常高,以避免由于Rnase酶降解而产生假象。此外,信使RNA在经PCR产生DNA拷贝扩增之前,或在大多数的微阵列分析中,或在产生cRNA拷贝的试管内转录(IVT)线性扩增程序中,都是逆转录形成cDNA的。在IVT反应期间,cRNAs都被标记,而在杂交到寡核苷酸阵列时往往被分裂。 在研究中,基因表达阵列常常采用被标记的cRNAs或长寡核苷酸作为固定探针,以及由类似于半导体工业应用的光刻技术制造的寡核苷酸探针阵列;寡核苷酸探针可直接在微阵列表面合成,还可以应用多空间的完美匹配单碱基-错匹配探针对来查询每一个重要的基因。这种高密度寡核苷酸探针诊断方法可检测出拼接变异种的能力,以及因特殊转录而造成融合基因时产生的特异性嵌合转录(如慢性髓细胞白血病中的BCR-ABL)。 目前有很多种途径来对成千上万的探针强度数据点进行数据分析,最近提出的是临床应用表达类型的最佳实用指导方针。各种全自动化的分析方法(如层次聚类算法与运用自组织图)可供用于确定具有相似表达类型的分组基因之间的关系。同样,还有一些需操作人员监管的分析方法(如支持向量机),可应用同质的PCR检测平台进行药物效应的基因显型检测,以筛选和鉴定最可能有效的患者。 促进肿瘤诊治水平提高 基因的表达差异是药物疗效的基础。基因表达的各种分析方法正在开发过程中,为疾病,尤其是肿瘤的治疗选择提供分子图表类型信息。例如,常见的急性成人或儿童白血病

最新染色体微阵列分析(基因芯片)在儿科遗传病临床应用的专家共识

儿科遗传病评估的一线检测手段—— 染色体微阵列分析 俗话说“孩子是祖国的花朵,是每个家庭的希望”,而当孩子出现不明原因的智力落后和(或)发育迟缓时,当孩子出现多发畸形时,当孩子出现自闭症(孤独症)时,或当孩子出现身材矮小、语言发育延迟、癫痫或其他精神神经发育障碍时,不仅给患儿身心健康带来严重的危害,也给社会和家庭带来了沉重的经济和精神负担。随着二胎政策的全面放开,很多父母想再要一个孩子,可是头胎患病孩子带来的精神压力可能会让父母犹豫,担心下一个孩子还是同样的情况怎么办?而近两年出现的一项最新诊断技术——染色体微阵列分析(chromosomal microarray analysis, CMA),给解决患儿父母的忧虑带来了希望。 什么是CMA?该技术又称为“基因芯片”是基于核酸互补杂交原理对全基因组进行检测,可检测基因组拷贝数变异(copy number variations, CNVs),主要针对微缺失或微重复、单亲源二体等。与传统染色体核型相比,它具有更高的分辨率,可提供更为准确和全面的细胞分子遗传学诊断。继2010年10月美国医学遗传学与基因组学学会(American College of Medical Genetics and Genomics, ACMG)专家委员会CMA指南发布后,2016年我国中国医师协会医学遗传学分会、中国医师协会青春期医学专业委员会临床遗传学组、中华医学会儿科学分会内分泌遗传代谢学组组织专家,对CMA技术各个环节展开交流讨论,形成了专家共识,对该技术临床应用进行规范指导。 根据我国多中心临床研究数据表明:针对智力落后和(或)发育迟缓疾病患儿阳性率约为19.2%,针对多发畸形患儿阳性率约32.6%。此结果与国外研究数据基本一致(13%~20%)。因此共识中指出对以下临床表型的疾病,建议将CMA 作为一线检测手段,将CMA作为一线检测手段,作为一线检测手段(重要的事说三遍!!!):

国外阵列感应测井仪器的最新发展

国外阵列感应测井仪器的最新发展 阵列感应仪器在电缆测井作业中已经受了时间的考验,用于商业化服务快接近20年了。Schlumberger公司在1991年推出了AIT仪器(Barber和Rosthal等),之后Baker Atlas公司在1996年(Beard等)、Halliburton公司在2000年(Beste 等)也分别推出了各自的阵列感应仪器。利用阵列感应仪器可以测得聚焦探测深度为10至120英寸、相应的垂直分辨率为1、2、4英尺的径向电阻率曲线。这些测井曲线从横向和纵向上对井眼及其周围地层给予了清晰的描述。近年来,感应仪器的设计者们一直都在不断努力创新,改进仪器的硬件设计和软件处理,最终提高仪器的测量精度和重复性,发挥阵列感应测井的优势,为油、气层识别奠定基础。 一、斯伦贝谢公司的阵列感应成像测井仪AIT家族 AIT阵列感应成像测井仪能在不同井眼条件和环境下精确测量裸眼井地层的电导率,该电导率既是井眼深度的函数,也是径向深度的函数。阵列感应仪器的线圈阵列有多种工作频率。对接收到的信号进行软聚焦处理可以得到不同探测深度的电阻率测井曲线。多道信号处理给出了丰富而稳定的仪器响应,其径向探测深度和纵向分辨率都明显改进和提高,而且对环境影响进行了校正。利用仪器的测量结果还可实现二维(2D)电阻率成像,成像图形清晰定量地显示了层理和侵入特征。利用多种侵入特征描述参数可以表明过渡带和环空带的地层特征。可以把定量的侵入信息现场彩绘为2D含水饱和度Sw图像。继开发出用于测量井眼条件适中的地层电阻率的标准的AIT-B和AIT-C型仪器外,斯伦贝谢公司也开发出用于小井眼和恶劣环境(高温高压)条件下测井等多种类型的阵列感应仪器,组成了AIT家族。多种类型的AIT仪器可适用于不同的特殊工作环境,包括小井眼、恶劣环境下高温高压环境(HPHT)。 Platform Express Array Induction Imager Tool(AIT-H) AIT-H 仪器特别用于Platform Express 测井平台。此种仪器的长度大约只有AIT-B和AIT-C的一半,但仍可提供同样高质量的测量结果。此仪器主要用于标准的测井条件即:压力高达15,000psi(103Mpa),温度高达257℉(125℃)。最新型号的AIT-M仪器可以用于额定温度高达302℉环境下的同样的参数测量。Slim Array Induction Tool(SAIT)

微阵列资料分析(Microarray Data Analysis)

微陣列資料分析(Microarray Data Analysis) 蔡政安副教授 前言 在人類基因體定序計劃的重要里程碑陸續完成之後,生命科學邁入了一個前所未有的新時代,在人類染色體總長度約三十億個鹼基對中,約含有四萬個基因,這是生物學家首次以這麼宏觀的視野來檢視生命現象,而醫藥上的研究方針亦從此改觀,科學研究從此正式進入後基因體時代。微陣列實驗(Microarray) 及其它高產能檢測(high-throughput screen) 技術的興起,無疑將成為本世紀的主流;微陣列實驗主要的優勢再於能同時大量地、全面性地偵測上萬個基因表現量,透過基因晶片,可在短時間內找出可能受疾病影響基因,作為早期診斷的生物指標(biomarker)。然而,由於這一類技術的高度自動化、規模化及微型化的特性,使得他們所生成的資料量非常龐大且資料型態比一般實驗數據更加複雜,因此,傳統統計分析方法已經不敷使用。在此同時,統計學家並未在此重要時刻缺席,提出非常多新的統計理論和方法來分析微陣列實驗資料,也廣受生物學家所使用。由於微陣列資料分析所牽涉的統計問題層面相當廣且深入,本文僅針對整個實驗中所衍生的統計問題加以介紹,並介紹其中一些新的圖形工具用以呈現分析結果。 基因晶片的原理 微陣列晶片即一般所謂的基因晶片,也是基因體計畫完成後衍生出來的產品,花費成本雖高,但效用無限,是目前所有生物晶片中應用最廣的,由於近年來不斷改進,也是最有成效的生物技術。一般而言,基因晶片是利用微處理技術,先把人類所有的基因分別固著在一小範圍的玻璃片(glass slide)、薄膜(membrane)或者矽晶片上;然後,可以平行地、大量地、全面性地偵測基因體中mRNA的量,也就是偵測基因的調控及相互作用表現。目前微陣列晶片大致分為以下兩種平台(如圖一) : cDNA 晶片及高密度寡核甘酸晶片(high-density oligonucleotide),兩種系統無論在晶片的製程及樣本處理上皆有相當的差異,因此在分析上也略有不同,以下便就晶片的特性約略介紹。 1.cDNA 晶片: 基本上晶片上的探針(probes)及準備進行雜合反應(hybridization) 的樣本(Targets)皆來自於cDNA。正常及癌組織中萃取的mRNA經反轉錄後,分別標上綠色(Cy3)和紅色(Cy5)螢光標記,並同時和晶片進行雜合反應,反

5700测井技术介绍—阵列感应测井原理及应用

5700测井技术介绍— 阵列感应 测井原理及地质应用

目录 一、前言 (1) 二、阵列感应测井原理及应用 (1) 1.阵列感应测井原理简介 (1) 2阵列感应资料处理 (2) 3.阵列感应测井的地质应用 (10) 三、阵列感应测井实例分析 (14) 1、低矿化度泥浆侵入含高矿化度地层水的储层 (14) 2、高矿化度泥浆侵入含低矿化度地层水的储层 (17) 3、在稠油井中的应用效果 (20) 4、水淹层解释应用效果 (21) 5、在判断地层水矿化度方面的应用效果 (23) 四、总结和建议 (24)

一、前言 阵列感应测井是测井发展史上的一个飞跃,自从测井公司引进了阿特拉斯的阵列感应测井仪HDIL后,经过多年的使用,已经成为测井中一项不可缺少的项目,特别是在沙泥岩地层和低电阻率地层中,发挥了其它测井项目不可替代的作用。 二、阵列感应测井原理及应用 1.阵列感应测井原理简介 阵列感应测井的最基本原理与普通感应测井原理类似,但它在硬件上采用简单的三线圈系结构,这种线圈系没有硬件聚焦功能,它采用数学方法对呈不对称形状的纵向响应曲线进行软件聚焦处理。它由7组接收线圈对和1个共用的发射线圈组成,实际上相当于具有7种线圈距的三线圈系。在接收线圈系的设计上充分考虑了以下几个问题:(1)、消除直藕信号;(2)、三线圈子阵列纵向特性的频率响应没有盲频;(3)、要有若干子阵列分别反映浅部和深部地层信息;(4)、各接收子阵列之间的间距应按一定规律变化和分布;(5)、离发射线圈较远的接收子阵列应考虑发射功率和接收信号的强度。 高分辨率阵列感应测井仪在硬件设计时充分考虑了上述因素,它的每个接收线圈系都由两个相互对称的线圈组成,即一个主接收线圈和一个辅助接收线圈,它利用了两个线圈电磁场叠加原理,来实现消除直藕信号影响的目的。在线圈系的排列上设计了最小线圈距为6in,最大线圈距为94in,在这两个线圈距之间采用了近似于指数形式的线圈系分布,即全部子阵列间距为6in、10in、15.7in、24.5in、38.5in、60in、94in。这种排列方式不仅有利于采集浅部地层和深部地层信号,而且有利于径向有效信息的均匀采样。发射信号是加到一个单独的发射线圈上的,这种方法能使发射器的有效功率变为最大,由发射线圈发射出的是一个形状为方形的电压波形(即方波),发射波采用方波是由于其具有较高的发射频率,对于给定的电压能使发射线圈的功率变为最大。而且它具有宽的频谱,它 )及所有的奇次谐波的能量,因此每个线圈可以包括了方波频率(约等于10KH Z 共8个频率下同时进行工作。 在10、30、50、70、90、110、130、150KH Z

cDNA 微阵列技术研究进展

cDNA 微阵列技术研究进展 从1995年首次完成流感嗜血杆菌的全基因组测序到人类基因组计划接近尾声,全世界公共数据库和私人数据库中已积累了天文数字的多种生物的核酸和蛋白序列信息,且这个数字日益加速增大。现在生物学研究已进入功能基因组时代,研究重点是基因的功能、表达和调控,在这个时期充分利用公共数据库中丰富的序列信息资源具有举足轻重的意义。基因微阵列技术作为沟通基因序列信息与功能基因组间的桥梁,在后基因组时代将发挥日益重要的作用。 基因微阵列(microarray)又称基因芯片,是一类重要的生物芯片。它是把大量已知序列探针集成在一张基片上,然后把若干经过标记的靶基因序列与微阵列上的序列探针杂交。通过检测已杂交的探针,便可根据碱基互补配对的原理确定靶基因的序列,从而获得细胞或组织中大量的基因表达信息,实现对基因表达信息的同步大规模快速检测。基因微阵列可分为两种类型:寡聚核苷酸微阵列(oligonucleotide microarrays,genechips)和DNA片段微阵列(DNA fragment microararays),后者中的cDNA微阵列是将大量经过3’端或5’测序的cDNA 经扩增后点在尼龙膜等聚合物基片上或玻璃片等刚性光学基片上而制成,在检测高等生物基因表达譜上具有其特有的优点。本文对cDNA微阵列技术的生物学基础、基本原理、制备方法、靶基因标记、杂交图像分析、杂交数据的提取和分析及应用进行综述。 1 cDNA微阵列技术的生物学基础 生物的生存和繁衍依赖于细胞对遗传指令的储存、阅读和翻译的能力。遗传信息通过细胞分裂由母细胞传给子细胞,通过生殖细胞由上一代传给下一代。遗传信息以基因的形式储存在每一个活细胞中,细胞依靠基因产物来进行产生能量、合成生物大分子、维持细胞结构和应答外界刺激等功能活动。蛋白质是细胞机器的工作组分,DNA中储存着蛋白合成的信息,而RNA携带着编码于DNA 中的遗传指令,介导储存在DNA中信息的表达。mRNA是携带着蛋白质特异的氨基酸序列信息的转录本。 为了理解生物的发育、遗传疾病的发作、基因在调节细胞功能时的协同作用,最好的办法就是检测不同发育阶段、不同组织、及生病状态和健康状态下基因表达的波动变化。知道在各类组织、各个发育阶段、各种条件下的基因转录丰度有助于了解不同基因在其参与的细胞过程中所起的功能作用,也有助于理解其调控及基因之间和基因产物之间的相互作用。虽然mRNA并非基因的最终产物,但是基因调节的第一步就是转录,有关转录水平的信息对于了解基因调控网络是不可缺少的。mRNA的水平并不直接反映相应蛋白的丰度,但mRNA转录信息至少可以用于定量估计相应蛋白的水平。而且,目前测定mRNA的转录水平要比直接测定蛋白表达水平要经济的多,且可采用高通量的方法。 2 cDNA微阵列技术原理

微阵列芯片技术的应用进展

微阵列芯片技术的应用进展 微阵列芯片技术的应用进展 陈翔 上海交通大学医学院附属仁济医院 自90年代中期基因芯片问世以来.先后现了多种以 微阵列技术为核心的生物芯片,如蛋白质出片,组织芯片和 细胞芯片等.这些芯片的技术日趋成熟,且多已商品化. 随着人类基因组工程的完成.人们逐渐将目光更多地投 向基囚功能,表达捌控和表达后机制疾病关系的研究.但 对于大量功能未知的基,原有的实验窜技术效率低下,显 得有些力不从心.而生物芯片技术作为一项新兴技术.为研 究基因的表达,调控和功能提供了一个全新的平台本文对 近年来几种生物芯片技术在医学领域应用的进展作一介绍. 一 ,基因芯片 基因芯片是最早问世的生物芯片.茛幕木原理是以微点 样技术在固体支持物上排列成高密度的微最探针矩阡.计 算机扫描收集分子杂交信号,通过生物信息学分析,获得需 要的信息.基因芯片具有高效率,低消耗,大通量,高精度以 及能平行对照研究等特点.自1995年第一块eDNA芯片在 美国斯坦福大学诞生以来.基芯片技术迅速脚用于动,植 物和人类基因的研究领域,如病原微生物毒力相关基的 分析;肿瘤诊断,预后判断相关基因的发现和研究;药物研 发,疗效评估等.近年来,生物芯片技术不断发展,芯片中排 列的不再只是核酸分子,蛋白质,组织以及细胞等均能以微 阵列形式被排列于芯片中,为分子生物学,组织化学和细胞 培养等技术注入了新活力.

基因芯片的制备目前墨要有4种疗法:④光引导原位合 成法:首先将受光敏保护基团保护的4种核苜酸固定在玻 片上.然后根据设计要求,采用不的掩模板别玻片进行掩 敝,光照处的光敏保护基团分解,暴露的地方即町加上新的 被保护的核甘酸.如此循环就能以高密度和精度束制备 DNA微阵列芯片目前已能在1.6cm2的玻片上合成40万 组寡核苷酸.这种方法缺点是制备掩模板成本高,费时间. 因为寡核苷酸的每个碱基位需4块掩模板,合成一块含25 个碱基对的微阵列芯片就需100块掩模板.②电喷射原 位合成法:在二氧化硅基底.制备高密度的小坑作为DNA 合成的微型反应池,小坑内作羟基化亲水处理.小坑问作氟 化疏水处理.然后根据文际要求,在4个电喷头中分别装 入A,T,G和C核苜酸,由计算机控制芯片作x—Y方向的运动,将4种核苷酸喷射至适当的小坑中,合成DNA微阵列. ③接触式点涂法:将事先合成的DNA探车1通过一个点接触装置自动点到玻片上的指定地点,合成DNA微阵列.该法 较为快速,经济.(化学喷射法:通过压电晶体或其他推进 形式,从喷嘴内定量地将生物样品喷射到片基.此方法与接ChinJGastmenterol,2006,V o1.1l,No.2 冉志华 上海市消化疾病研究所(200001) 触式点涂法的区别是喷嘴不与玻片接触.此外,根据芯片片 摹材质不同_兀』分为无机片基和有机片摹.无机片基主要包括半导体硅片和玻璃片,其探针主要在原位合成;有机片基 主要为有特定孔释的薄膜,如酸纤维膜,聚丙烯膜和尼龙膜等,其探针主要是预先合成后点涂或者喷射上去的. 根据片基上探针类型,基因芯片可分为eDNA芯片和寡 核甘酸芯片.基因芯片的样品核酸分子经过标记,与固定在 载体的DNAIj午列巾的分子探针进行杂交.样品标记常用荧

DNA微阵列技术介绍及其应用

DNA微阵列技术介绍及其应用 DNA微阵列技术(microarray)指在固体表面(玻璃片或尼龙膜)上固定成千上万DNA克隆片段,人工合成的寡核苷酸片段,用荧光或其他标记的mRNA,cDNA或基因组DNA探针进行杂交,从而同时快速检测多个基因表达状况或发现新基因,快速检测DNA序列突变,绘制SNP遗传连锁图,进行DNA序列分析等的一种新技术,其基本原理是基于Southern杂交或斑点杂交技术。将DNA 微阵列称为基因芯片实际上是不确切的。生物芯片(bioship) 属于分子生物电子学范畴,只采用DNA或蛋白质等生物高分子为骨架制成大规模集成电路,用于研制第六代智能计算机。 DNA 微阵列有两种基本形式,即点样型DNA 微阵列和原位合成型DNA 微阵列。 点样型DNA 微阵列,通过PCR扩增的上万个DNA克隆,或常规合成的寡合苷酸被点样固定在一定固体表面(玻璃片,尼龙膜),用一组标记探针单独或混合处理检测。 制备方法:采用常规技术制备DNA,用点样仪自动点样在玻璃片上。1.制备DNA片段:采用特异引物从各个克隆进行PCR扩增或将基因组DNA克隆到通用载体,然后纯化后重悬浮于 3*SSC,使终浓度为0.5ug/ul. 2.微阵列制作:玻璃片清洗,包被多聚赖氨酸(35ml 多聚赖氨酸,35ml PBS,280ml ddH2O),双蒸水冲洗,干燥。用微阵列仪点样,每种样品放 5nl,用介层连接 确定其互补序列。 制备方法:可改装一台半导体光印刷仪,采用光导向结合化学原理合成各种寡核苷酸探针。1.玻璃片清洗后包被一层多聚赖氨酸。2.在玻璃片上每个一定间距连接上带有光不稳定保护基的羟基。3.UV照射,通过光印刷仪的遮盖膜使UV只穿过特定微孔射向玻璃片,将孔下的光不稳定保护基除去,产生自由羟基。4.加入5’端带光不稳定保护基的磷酰胺碱基与自由羟基连接。 5.使遮盖膜微孔对准邻侧另一光不稳定保护基,重复4.5.依次有序进行,第一层碱基连接完毕后再进行第二层第三层.......。核苷酸探针的排列组成必须严格有序。 靶DNA与微阵列杂交及荧光标记检测:在检测靶基因不同表达水平时,常用一组不同荧光标记的mRNA和cDNA探针进行杂交。探针与微阵列在65度杂交16小时,依次用 0.5*SSC,0.01%SDS,0.006*SSC在室温下洗5min,除去未结合探针。然后用连接电脑的倒置扫描共聚焦显微镜阅读微阵列,扫描和资料分析。一般采用分析红色和绿色荧光杂交强度和比例的软件分析。 DNA微阵列技术的应用 一,检测基因表达水平及识别基因序列。Schena等1996年用拟南芥光调基因微阵列,以不同器官中的mRNA为探针,检测其基因表达水平,结果表明叶mRNA的表达水平是根的500倍。Shelon等1996年将酿酒酵母基因组DNA克隆制成微阵列,用6条最大染色体和10

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