“基因芯片”仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

謝 妤， 易文奇， 姜 瓊， 彭 玲

(宜春學(xué)院， 江西 宜春 336000)

“基因芯片”仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

謝 妤， 易文奇， 姜 瓊， 彭 玲

(宜春學(xué)院， 江西 宜春 336000)

請掃二維碼，關(guān)注本文及作者更多信息

為了便于開展基因芯片課堂教學(xué)，使學(xué)生能夠更深刻地了解基因芯片技術(shù)原理及操作流程，設(shè)計(jì)并制作了一套仿真基因芯片系統(tǒng)?？梢匀婺M芯片雜交、芯片掃描、結(jié)果判定等實(shí)驗(yàn)步驟。實(shí)驗(yàn)室僅需配備普通移液器即可進(jìn)行基因芯片的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生可以切身體驗(yàn)基因芯片的操作過程,有助于學(xué)生深刻理解基因芯片的原理與方法，教學(xué)效果大大提高。

基因芯片；仿真實(shí)驗(yàn)

基因芯片技術(shù)是現(xiàn)代生物學(xué)研究中一個(gè)非常重要的工具[1-2]，廣泛應(yīng)用于基因表達(dá)譜分析[3-4]、基因測序[5]、疾病診斷[6-7]、遺傳圖譜構(gòu)建[8]等許多領(lǐng)域。因其前沿性、依賴于大型儀器設(shè)備、耗材昂貴等原因，對于普通學(xué)校而言，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常難以進(jìn)行[9-10]。因此學(xué)生不易理解其原理與方法，教學(xué)效果不佳。Campbell等[11]設(shè)計(jì)了一套仿真基因芯片教學(xué)系統(tǒng)，有助于學(xué)生對基因芯片產(chǎn)生直觀的了解，但其操作過程與真實(shí)基因芯片實(shí)驗(yàn)還有很多不一致。因此本文作者設(shè)計(jì)了一套仿真度高、操作性強(qiáng)且成本低廉的基因芯片教學(xué)方法和設(shè)備。采用本套系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室僅需配備普通移液器即可進(jìn)行基因芯片的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生能直觀體驗(yàn)基因芯片操作過程，加深理解其原理與方法，教學(xué)效果大大提高。

基因芯片技術(shù)主要包括以下步驟：芯片的制作、樣品制備、分子雜交、信號(hào)檢測和結(jié)果分析。目前制備芯片主要以玻璃片或硅片為載體，采用原位合成和微矩陣的方法將寡核苷酸片段或cDNA作為探針按順序排列在載體上。生物樣品往往是從復(fù)雜的生物分子混合體中提取、擴(kuò)增的DNA、RNA，然后用熒光標(biāo)記，以提高檢測的靈敏度。之后將熒光標(biāo)記的樣品與芯片上的探針進(jìn)行雜交反應(yīng)，反應(yīng)后芯片上各個(gè)反應(yīng)點(diǎn)的熒光位置、熒光強(qiáng)弱經(jīng)過芯片掃描儀和相關(guān)軟件分析圖像，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，即可獲得有關(guān)生物信息。

1 基因芯片仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

基因芯片仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由以下模塊組成：仿真基因芯片，仿真芯片雜交儀，仿真激光掃描儀以及模擬DNA試劑。

1.1 仿真基因芯片

基因芯片是一塊表面固定了序列已知的靶核苷酸探針的基片。在仿真基因芯片中，以載玻片作為載體，將有8個(gè)圓孔的PVC貼紙貼在載玻片上，最后配制2%的瓊脂糖溶液，再按表1的配方配制7種由百里香酚酞、酚酞、瓊脂糖不同比例組成的溶液。在40℃～60℃條件下，將上述7種不同比例的溶液用移液器點(diǎn)入PVC圓孔貼紙中的圓孔中即制成完整的基因芯片，制備好的仿真基因芯片如圖1所示。

圖1 制作好的“仿真基因芯片”

1.2 仿真芯片雜交儀

芯片雜交儀的作用是控制芯片雜交的溫度及時(shí)間。仿真芯片雜交儀由紙盒制成，盒蓋可以打開，內(nèi)部設(shè)卡槽，可供放入模擬的基因芯片，如圖2所示。

圖2 仿真芯片雜交儀

1.3 仿真芯片掃描儀

芯片掃描儀通過激光掃描芯片，將信號(hào)存入電腦，由電腦合成圖像，并進(jìn)行結(jié)果分析。仿真激光掃描儀外部開口，可放入雜交后的仿真芯片，內(nèi)置一瓶5%的NaOH溶液。按動(dòng)按鈕，NaOH溶液呈霧狀噴灑到仿真芯片上，使芯片很快顯色，如圖3所示。

圖3 仿真芯片掃描儀

1.4 模擬DNA試劑

熒光標(biāo)記的DNA試劑視覺上與水無異，雜交后肉眼也看不出任何變化，因此用純凈水即可模擬DNA試劑，本套系統(tǒng)設(shè)置兩支模擬DNA試劑，分別為紅色熒光標(biāo)記的正常細(xì)胞DNA和藍(lán)色熒光標(biāo)記的癌細(xì)胞DNA。

2 實(shí)驗(yàn)流程

2.1 芯片制作

真實(shí)的基因芯片一般由專業(yè)的公司制作，絕大多數(shù)研究者只需購買即可。所以本仿真實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)的仿真芯片亦由教師在課外做好。課堂實(shí)驗(yàn)流程從芯片雜交開始。

2.2 芯片雜交

如圖4所示，將模擬DNA試劑滴加到仿真芯片上，然后將仿真芯片置于仿真芯片雜交儀，置于室溫下10 min。

圖4 將標(biāo)記的DNA樣品加到仿真芯片上

2.3 芯片掃描

從仿真芯片雜交儀中取出芯片，插入仿真掃描儀的卡槽中，按動(dòng)掃描按鈕2次，模擬激光掃描。等待數(shù)秒后取出芯片進(jìn)行結(jié)果分析。

2.4 結(jié)果分析

如圖5所示，芯片從仿真掃描儀中取出后呈現(xiàn)出多種顏色，其中1為藍(lán)色、2為紅色、3為紫色、4為淺藍(lán)色、5為淺紅色、6為淺紫色、7和8無色。顯色原理是存在于凝膠中的顯色劑與仿真掃描儀中噴出的霧狀NaOH溶液發(fā)生了顏色反應(yīng)，不同配比的顯色劑呈現(xiàn)不同色彩。這個(gè)結(jié)果模擬了基因芯片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：芯片上的每個(gè)點(diǎn)固定著代表一個(gè)基因的探針，能夠與樣品中的DNA雜交。1號(hào)點(diǎn)呈現(xiàn)藍(lán)色，表明相應(yīng)的基因在癌細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄，以其為模板制備的藍(lán)色熒光標(biāo)記的DNA被1號(hào)點(diǎn)的探針捕獲。經(jīng)激光掃描，1號(hào)位發(fā)出藍(lán)色熒光信號(hào)。2號(hào)點(diǎn)呈現(xiàn)紅色，表明相應(yīng)的基因在正常細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄，以其為模板制備的紅色熒光標(biāo)記的DNA被2號(hào)點(diǎn)的探針捕獲。經(jīng)激光掃描，2號(hào)位發(fā)出紅色熒光信號(hào)。同理，紫色的信號(hào)表明相應(yīng)基因在2種細(xì)胞中都有轉(zhuǎn)錄，而無色的信號(hào)表明相應(yīng)基因在兩種細(xì)胞中都沒有轉(zhuǎn)錄。因?yàn)樾盘?hào)的強(qiáng)度與探針捕獲的DNA量呈正相關(guān)關(guān)系，因此顏色的深淺就可以顯示基因轉(zhuǎn)錄的水平高低。

2.5 注意事項(xiàng)

NaOH溶液有一定腐蝕性，因此從仿真掃描儀中拿出后手持芯片末端，不可觸碰其他地方，實(shí)驗(yàn)完后用自來水輕輕沖洗芯片即可。

圖5 顯色后的芯片

序號(hào)百里香酚酞(μL)酚酞(μL)瓊脂糖(μL)顏色150000深藍(lán)205000深紅32502500深紫41000400淺藍(lán)50100400淺紅6100100300淺紫700500無色800500無色

3 討論

基因芯片屬于高新技術(shù)，成本高昂，目前國內(nèi)只有為數(shù)不多的實(shí)驗(yàn)室可以開展利用基因芯片的科學(xué)研究工作，普通中學(xué)生甚至大學(xué)生往往只聞其名而未見其面，更不論親身參與實(shí)驗(yàn)了。因此，基因芯片對一般學(xué)生而言充滿神秘和不可企及的感覺，這種現(xiàn)狀對這項(xiàng)高科技的教學(xué)和發(fā)展顯然是不利的。

為了開展基因芯片實(shí)驗(yàn)教學(xué)，美國教師A.M. Campbell發(fā)明了一種展示基因芯片原理的方法[4]，即用酸堿指示劑和瓊脂糖凝膠混合，并用NaOH溶液使之顯色，以此來模擬基因芯片實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，取得了一定的教學(xué)效果。本文作者借鑒了A.M. Campbell的部分思路，采用了與之相近的顯色原理，但又做了許多重要改進(jìn)。例如研制了仿真激光掃描儀、仿真芯片雜交儀等設(shè)備，此外，實(shí)驗(yàn)的流程也盡量接近真實(shí)的基因芯片實(shí)驗(yàn)過程。

使用本套仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可在教師講解完實(shí)驗(yàn)原理和流程之后，每個(gè)學(xué)生領(lǐng)取一片制作好的仿真芯片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作(加樣、芯片雜交、芯片掃描、結(jié)果判定)。實(shí)驗(yàn)過程中，教師可自行設(shè)定實(shí)驗(yàn)場景，例如可以設(shè)定場景為測定癌細(xì)胞和正常對照細(xì)胞的基因表達(dá)差異。實(shí)驗(yàn)前告知學(xué)生，癌細(xì)胞cDNA使用藍(lán)色熒光標(biāo)記和正常對照細(xì)胞cDNA用紅色熒光標(biāo)記，結(jié)果出來后，教師可提出一些思考題，如“芯片上每個(gè)不同的點(diǎn)的顏色代表什么意義”等。相信經(jīng)過眼見為實(shí)的操作，學(xué)生可以更容易理解基因芯片的原理，并激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和投身科研的熱情。

[1]HELLER M J. DNA microarray technology: devices, systems, and applications[J]. Annual Review of Biomedical Engineering, 2002, 4:129-153.

[2]邱秀文，吳小芹，黃 麟，等. 基因芯片技術(shù)在生物研究中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 42(5):60-62.

[3]SCHENA M, SHALON D, DAVIS R W, et al. Quantitative monitoring of gene expression patterns with a complementary DNA microarray[J]. Science, 1995, 270(5235):467-470.

[4]LI Z, WANG Z, LI S. Gene chip analysis ofArabidopsisthaliana, genomic DNA methylation and gene expression in response to carbendazim[J]. Biotechnology Letters, 2015, 37(6):1297-1307.

[5]GYORFFY B, KORMOS M, PONGOR L. 1972 Combination of next generation sequencing and gene chip data to link survival and genotype in breast cancer[J]. European Journal of Cancer, 2015, 51:S324.

[6]李延武，李卓成. 基因芯片技術(shù)在乙肝病毒分型和耐藥突變檢測中的應(yīng)用[J]. 實(shí)用臨床醫(yī)藥雜志, 2015, 19(9): 49-51.

[7]吳國蘭, 陳曉紅, 翁麗珍,等. 基因芯片技術(shù)在鑒定分枝桿菌屬及早期診斷耐藥結(jié)核中的價(jià)值分析[J]. 中國醫(yī)刊, 2016, 51(5):44-47.

[8]陳建省，陳廣鳳，李青芳，等. 利用基因芯片技術(shù)進(jìn)行小麥遺傳圖譜構(gòu)建及粒重qtl分析[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47(24):4769-4779.

[9]郝培應(yīng), 王為民. 生物芯片技術(shù)課堂互動(dòng)式教學(xué)模式探究[J]. 高教論壇, 2011(1):76-78.

[10]周 猛, 孫 杰, 汪強(qiáng)虎. PBL教學(xué)法在醫(yī)學(xué)院校生物芯片課程教學(xué)中的應(yīng)用探索[J]. 衛(wèi)生職業(yè)教育, 2012, 30(16):69-70.

[11]CAMPBELL A M, ZANTA C A, HEYER L J, et al. DNA microarray wet lab simulation brings genomics into the high school curriculum[J]. Cbe Life Sciences Education, 2006, 5(4):332-339.

Simulation experiment design of "gene chip"

XIE Yu, YI Wen-qi, JIANG Qiong, PENG Ling

(Yichun University, Yichun 336000, China)

A set of simulation gene chip system was designed and made in order to help students deeply understand the principle of gene chip technology and learn the operation processes. This system can simulate chip hybridization and scanning as well as the results of determination processes. Laboratories equipped with common liquid transfer devices can use this system for the experimental teaching of gene chip, so that each student has the opportunity to experience the operation of gene chip experiment. This design enabled students to deeply understand the principles and processes of gene chip, and in turn the teaching effects were greatly improved.

gene chip; simulation experiment

2016-08-30；

2016-09-05

江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究課題(JXJG-13-15-18)

謝 妤，碩士研究生，講師，主要從事生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究，E-mail：781748925@qq.com

姜 瓊，博士，副教授，主要從事生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究，E-mail：qqj2000@163.com

G642.423;Q75

C

2095-1736(2017)03-0123-03

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.03.123