基因芯片與功能基因組

第一章 基因組與功能基因組1
第一節(jié) 基因及其功能1
一、 基因的定義1
二、基因的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄調(diào)控3
（一）轉(zhuǎn)錄起始3
（二）轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控5
（三）RNA的合成與加工6
第二節(jié) 基因組與基因組學(xué)8
一、基因組8
（一）真核生物基因組8
（二）人類基因組8
（三）原核生物基因組9
二、基因組計劃9
（一）基因組作圖9
（二）基因組DNA大規(guī)模測序11
（三）基因數(shù)據(jù)庫11
第三節(jié) 功能基因組12
一、基因多態(tài)性12
二、轉(zhuǎn)錄組學(xué)13
三、蛋白質(zhì)組學(xué)14
四、藥物基因組學(xué)15
五、疾病基因組學(xué)15
六、基因組醫(yī)學(xué)16
第四節(jié) 傳統(tǒng)核酸檢測方法16
一、核酸的光吸收特性檢測方法--分光光度法16
二、核酸的電泳檢測法17
（一）電泳原理17
（二）電泳的介質(zhì)和分辨率17
三、核酸序列檢測技術(shù)18
四、核酸的雜交技術(shù)21
（一）核酸雜交的分子基礎(chǔ)21
（二）核酸探針的標(biāo)記和檢測21
參考文獻27
第二章 生物芯片概述28
第一節(jié) 生物芯片技術(shù)簡介28
一、基本概念28
二、生物芯片技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展29
三、生物芯片的主要種類30
第二節(jié) 被動式生物芯片31
一、基因芯片31
二、蛋白質(zhì)芯片32
（一）蛋白微陣列的制備32
（二）蛋白微陣列的使用33
（三）蛋白質(zhì)芯片的應(yīng)用34
三、組織芯片34
第三節(jié) 微流控芯片37
一、微流控芯片的制作材料和制作工藝37
（一）制作材料37
（二）微結(jié)構(gòu)的制作方法38
（三）微結(jié)構(gòu)的封接39
（四）微流控芯片的功能元設(shè)計39
二、微流體驅(qū)動與控制技術(shù)40
三、微流控芯片中常用檢測技術(shù)40
（一）光學(xué)檢測40
（二）電化學(xué)檢測41
（三）質(zhì)譜檢測41
四、應(yīng)用41
第四節(jié) 微球在生物芯片中的應(yīng)用42
一、微球作為基于表面結(jié)合分析與檢測的平臺42
二、懸浮陣列技術(shù)42
（一）熒光編碼微球42
（二）量子點編碼微球43
（三）納米條形碼編碼微球43
（四）懸浮陣列與平面微陣列的比較43
三、表面修飾微球的結(jié)合動力學(xué)與熱學(xué)動力學(xué)研究44
四、微球應(yīng)用于微流控芯片45
五、展望47
參考文獻47
第三章 基因芯片的制作方法50
第一節(jié) 概述50
第二節(jié) 芯片基片的制作51
一、常見的基片類型52
二、探針分子與基片表面的作用方式52
第三節(jié) 探針的制備57
第四節(jié) 點樣儀及點樣過程59
一、接觸式點樣法59
二、非接觸式點樣法63
（一）微螺線閥（microsolenoid valve) 64
（二）壓電元件(piezoelectric)64
（三）非接觸式點樣的關(guān)鍵技術(shù)因素66
三、點樣后處理69
第五節(jié) 原位合成法69
一、光導(dǎo)原位合成69
(一)合成原理69
(二)獨特的PM-MM探針設(shè)計71
(三)PM-MM探針設(shè)計的優(yōu)勢71
二、無掩膜原位芯片合成技術(shù)74
參考文獻75
第四章 基因芯片檢測技術(shù)77
第一節(jié) 基因芯片檢測儀77
一、基本原理及主要組成部分77
(一)發(fā)光機理--熒光染料與熒光光譜77
（二）芯片的照明--光源78
（三）光探測器80
(四)光路系統(tǒng)82
（五）A／D轉(zhuǎn)換器83
二、有關(guān)檢測系統(tǒng)的重要參數(shù)及掃描過程84
（一）信噪比84
（二）光漂白現(xiàn)象84
(三)靈敏度與動態(tài)檢測范圍85
（四）像素與分辨率85
（五）掃描過程86
第二節(jié) 幾種商品化基因芯片掃描儀簡介87
一、激光共聚焦掃描儀87
二、激光非共聚焦掃描儀89
三、CCD基因芯片檢測儀90
四、國產(chǎn)掃描儀91
第三節(jié) 芯片圖像處理93
一、芯片圖像的性質(zhì)94
二、芯片圖像的處理95
（一）樣點的識別和位置的確定95
（二）圖像的分割96
（三）信號的各種參數(shù)值的確定99
（四）芯片和樣點質(zhì)量的評估99
三、常用的芯片圖像處理軟件100
四、結(jié)論100
參考文獻100
第五章 基因表達譜芯片實驗及數(shù)據(jù)處理102
第一節(jié) 基因表達譜芯片的設(shè)計102
一、表達譜基因芯片原理102
二、基因芯片設(shè)計103
（一）確定研究目標(biāo)103
（二）探針的設(shè)計103
（三）芯片控制系統(tǒng)的設(shè)計104
(四)樣本的選擇和實驗設(shè)計105
第二節(jié) 實驗過程107
一、樣本制備107
二、樣本標(biāo)記108
（一）直接逆轉(zhuǎn)錄標(biāo)記法108
（二）間接標(biāo)記法108
（三）RNA的擴增標(biāo)記法109
三、芯片雜交110
第三節(jié) 數(shù)據(jù)處理110
一、數(shù)據(jù)顯示110
二、差異表達基因的選擇112
三、缺失數(shù)據(jù)的處理114
第四節(jié) 其他大規(guī)模檢測差異表達基因的方法115
一、差異顯示和隨機引物聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)115
二、cDNA RDA116
三、SSH技術(shù)118
四、SAGE技術(shù)120
五、ADGE-microarray124
六、其他一些方法126
第五節(jié) 利用寡核苷酸芯片檢測mRNA可變剪接127
第六節(jié) 基因芯片與功能基因組學(xué)128
參考文獻129
第六章 表達譜芯片誤差分析和可靠性評估132
第一節(jié) 表達譜芯片實驗的重復(fù)性評價132
一、雜交動力學(xué)行為132
（一）雜交原理132
（二）影響雜交速率和雜交雙鏈穩(wěn)定性的因素132
（三）表達譜cDNA芯片動力學(xué)134
二、芯片實驗的評估方法136
（一）生物芯片的重復(fù)性137
（二） 結(jié)果驗證143
第二節(jié) 芯片誤差來源分析144
一、 生物學(xué)上的差異144
二、技術(shù)上的誤差分析146
（一） 基因芯片制備過程146
(二) 樣本的檢測過程147
第三節(jié) 減少誤差的措施149
一、如何從實驗設(shè)計開始就減少誤差？149
二、實驗過程的質(zhì)控--建立商業(yè)芯片平臺的質(zhì)量控制151
（一）制備過程151
（二）生產(chǎn)過程152
（三）成品質(zhì)控152
三、數(shù)據(jù)處理與矯正153
參考文獻158
第七章 用基因芯片檢測基因組DNA160
第一節(jié) 樣本DNA的制備和標(biāo)記160
一、樣本基因組DNA的制備160
二、樣本基因組DNA的標(biāo)記160
（一）非擴增標(biāo)記法160
（二）擴增標(biāo)記法160
第二節(jié) 基因拷貝數(shù)的檢測161
一、將微陣列技術(shù)應(yīng)用于CGH161
二、陣列CGH162
三、cDNA陣列CGH163
四、CGH檢測與分析165
第三節(jié) DNA測序及再測序166
一、雜交測序166
二、疊瓦式陣列166
第四節(jié) 寡核苷酸芯片直接雜交法168
一、寡核苷酸芯片檢測原理168
二、寡核苷酸檢測基因多態(tài)性的一般流程168
（一）芯片制備168
（二）樣本制備、標(biāo)記169
（三）芯片雜交169
（四）信號掃描和圖像處理170
三、設(shè)計過程中的注意點170
第五節(jié) 基于基因芯片的酶反應(yīng)方法172
第六節(jié) DNA的甲基化檢測173
一、差異甲基化雜交方法174
二、甲基化特異性寡核苷酸芯片方法174
三、CpG甲基化芯片的應(yīng)用175
參考文獻175
第八章 生物信息分析與數(shù)據(jù)挖掘179
第一節(jié) 聚類分析179
一、相似距離179
二、數(shù)據(jù)的聚類180
三、 常用的聚類分析軟件185
四、聚類的用途186
五、結(jié)論187
第二節(jié) 基因芯片與系統(tǒng)生物學(xué)188
一、系統(tǒng)生物學(xué)188
二、系統(tǒng)生物學(xué)和基因芯片190
三、轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)190
四、通路的研究192
五、反向技術(shù)193
第三節(jié) 基因芯片數(shù)據(jù)庫197
一、基因芯片數(shù)據(jù)庫197
二、MIAME規(guī)則198
三、SMD數(shù)據(jù)庫201
（一）系統(tǒng)簡介201
（二）主要組成部分201
（三）使用指南201
第四節(jié) 基因序列生物信息分析204
一、公共數(shù)據(jù)庫查詢204
二、序列生物信息分析210
參考文獻214
第九章 基因芯片與腫瘤基因組學(xué)216
第一節(jié) 腫瘤基因組學(xué)216
一、腫瘤分子遺傳學(xué)216
（一）原癌基因及癌基因216
（二）抑癌基因218
二、表觀遺傳學(xué)219
三、腫瘤的表達調(diào)控研究220
第二節(jié) 腫瘤基因組學(xué)研究與臨床應(yīng)用223
一、腫瘤的病理診斷和分子診斷223
二、腫瘤的分子外科與基因治療225
第三節(jié) 基因芯片在腫瘤基因組研究和分子診斷中的應(yīng)用227
一、DNA芯片在腫瘤發(fā)病的分子機理研究中的應(yīng)用227
二、基因芯片與其他腫瘤相關(guān)的應(yīng)用研究229
參考文獻232
第十章 藥物基因組學(xué)和基因芯片的應(yīng)用233
第一節(jié) 藥物遺傳學(xué)233
一、影響藥物代謝的遺傳多態(tài)性234
二、影響藥物轉(zhuǎn)運的遺傳多態(tài)性243
三、藥靶的遺傳多態(tài)性246
第二節(jié) 表達藥物基因?qū)W251
第三節(jié) 基因芯片在藥物基因組學(xué)研究中的應(yīng)用254
一、藥靶的研究254
二、藥物作用機理研究256
三、藥物毒副作用研究257
四、藥物篩選257
五、個性化診斷和用藥258
六、中藥現(xiàn)代化研究260
參考文獻261
第十一章 基因芯片與臨床診斷與檢測263
第一節(jié) 分子診斷概述263
一、分子診斷的應(yīng)用263
二、分子診斷的常用方法264
第二節(jié) 基因芯片與感染性疾病診斷267
一、細(xì)菌的檢測267
二、病毒基因分型268
三、耐藥性檢測270
第三節(jié) 基因芯片與遺傳性疾病診斷272
第四節(jié) 基因芯片與HLA分型274
一、HLA基因結(jié)構(gòu)274
二、HLA多態(tài)性274
三、HLA的生物學(xué)功能275
四、HLA 分型的實際應(yīng)用275
五、芯片和HLA276
第五節(jié) 基因芯片與單核苷酸多態(tài)性檢測277
一、單核苷酸多態(tài)性的應(yīng)用277
二、單核苷酸多態(tài)性和基因芯片檢測技術(shù)278
三、SNP網(wǎng)絡(luò)資源279
第六節(jié) 展望279
參考文獻280
第十二章 基因芯片技術(shù)的展望282
第一節(jié) 基因芯片制備（和檢測）的新技術(shù)282
一、分子的電子定位283
二、微陣列的噴墨技術(shù)點樣283
三、寡核苷酸包被的微珠芯片284
四、平行信號測序技術(shù)284
五、Gel pad技術(shù)285
六、ChIP-CHIP(chromatin immunoprecipitation on chip)285
七、微縮芯片實驗室286
第二節(jié) 信息分析軟件的發(fā)展287
第三節(jié) 基因芯片技術(shù)的應(yīng)用趨勢288
一、基因組計劃的未來288
二、疾病診斷289
參考文獻290
附錄1 基因芯片相關(guān)的名詞解釋292
附錄2 cDNA基因芯片常見問題解答302
一、實驗設(shè)計302
二、基因芯片制備303
三、樣本制備303
四、標(biāo)記304
五、雜交306
六、檢測及結(jié)果分析307
附錄3 基因芯片技術(shù)相關(guān)的主要網(wǎng)址310
一、芯片產(chǎn)品及相關(guān)設(shè)備、試劑生產(chǎn)廠商和研究單位310
二、基因芯片技術(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫及分析軟件相關(guān)網(wǎng)址313
三、生物信息數(shù)據(jù)庫相關(guān)網(wǎng)址313
四、生物信息分析相關(guān)網(wǎng)址314
五、藥物基因組及芯片分析314
六、SNP網(wǎng)絡(luò)資源314