生物芯片概论

DNA分子在大多数生物体中是以双股的型态存在(少数病毒、噬菌体除外)。在某些特殊生理状态下，例如：细胞分裂、基因表现等，双股DNA会解开变成单股，然后再回复成双股。而生物学家很早就把这单股DNA利用氢键结合成双股DNA分子的特性应用在生物相关的研究，称之为杂合反应(Hybridization)。从1965年，Gillespie和Spiegelman发表利用杂合反应筛选重组菌株后，有许多的实验技术，包括南方墨点(Southern blot)、北方墨点(Northern blot)、原位杂合(in situ Hybridization)、DNA序列分析(DNA Sequencing)、PCR (Polymerase Chain Reaction) 甚至目前热门的生物芯片(DNA芯片)，无一不是利用核酸杂合反应的原理。从这个历史的演进，也可看出生物芯片在基因体研究上的多元潜力。

生物芯片是先将已知有兴趣的单股DNA分子，称为探针DNA (probe DNA)，利用化学共价结合或物理性吸附，固定在耐仑膜(nylon membrane)、玻璃或其它固态载体上。再利用一些实验技术从细胞或细菌复制、放大有兴趣的基因或DNA片段，称之为标的DNA(target DNA)，并以荧光物质标定(label)。标的DNA和芯片上的探针DNA进行杂合反应后，若此细胞或细菌有表现植入芯片上的基因或DNA片段，就可在扫描仪上侦测到荧光亮点，我们就可以知道哪些基因有表现，哪些基因没有表现。从植入芯片上的探针DNA不同，可以分成两大类：一类是将单股cDNA (complementary DNA)植入芯片，称为cDNA芯片；另一类是把寡核甘酸序列(oligonucleotide)植入芯片，称之为寡核甘酸芯片(oligo chip)。这两类生物芯片性质不同，适用于不同的基因体研究，并且扩展了生物芯片应用的范围。

生物芯片在基因体研究上的应用

微小化并能同时快速大量的处理样品是生物芯片最大的优点，目前应用生物芯片研究的领域很广，如：基因表现、发现新基因、癌症分类、新药开发、单一核甘酸多型性(SNP, single nucleotide polymorphism)等。

1.基因表现

在生物芯片发展之前，大部分的研究者都仅局限在研究一个或数个基因的表现，这对于复杂的生物系统来说，无异是以管窥天。利用生物芯片，我们可以同时监看上百种甚至上千种基因的表现。Affymetrix公司所推出的Human Genome U95 Set 包含了6000个以上的人类基因和EST片段，几乎含盖了所有人类的基因，利用此种生物芯片，可使我们对于生物体整个反应机制及讯号传递(signal transduction)有较完整的了解。

以癌症为例，癌症一直是人类十大死因之首。对于生物学家而言，它也是一个有趣而复杂的课题，为什么有些人会得癌症？有些不会？是什么原因造成一个正常细胞开始毫无约束的不断分裂？虽然目前已找到一些抑癌基因(tumor suppressor gene)和致癌基因(oncogene)。但癌症是由许多因素加在一起所造成的结果，我们很难断定什么致癌物一定会引起癌症，由于它牵涉许多基因的交互作用，因此至今连发生的原因都不甚明了，更遑论治疗了。生物芯片提供了一个很好的工具，告诉我们癌细胞和一个正常细胞到底有何不同。如图1.，我们从正常细胞抽取其mRNA(messenger RNA)以反转录脢(reverse transcriptase)制造其互补DNA(cDNA)并用绿色荧光物质标定；同样地，从癌细胞抽出之mRNA制造其cDNA后，以红色荧光物质标定，将此两种标的DNA(此指cDNA)混合在同一芯片上做杂合反应，正常细胞表现较多的
基因呈现绿点，而癌细胞表现较多的基因呈现红点，正常细胞和癌细胞表现相同的基因则呈现黄点。由此即可知道哪些基因在癌细胞中大量表现。此例中，ErbB2基因呈现红点，表示在乳癌细胞中此基因大量表现。

利用此种方法可应用在其它各种不同的研究领域，例如：Lockhart利用含有65000个寡核甘酸探针的生物芯片，分析老鼠T细胞中114个基因。发现在细胞激素(cytokine)的诱导下，有20种基因表现受到影响。Kevin等人利用6240个不同基因和EST片段的生物芯片，研究和果蝇蜕变(metamorphosis)有关的基因。Joseph利用含有6400个DNA片段的生物芯片，研究酵母菌从呼吸作用转变成发酵作用其中有关代谢的基因表现，当葡萄糖在培养液中逐渐减少时，大约有710个基因被诱发表现，1030个基因产物减少。

2.新基因的发现

由上可知，不论是癌细胞的表现、刺激T细胞的反应、果蝇发育、或是代谢途径的改变。这些生理现象都被复杂的基因所调控，牵涉到许多基因。以人类约有100000个基因来估算，我们知道其功能的基因不及5％，而真正知道其作用机制的，更是屈指可数。点在芯片上的探针DNA，有很多是我们还不清楚功能的，但当我们去看整个细胞的基因表现时，我们就可对那些功能不明，但被促进表现或抑制表现的一些基因做深入的研究，并推测它是参与那一条讯号传递路径(pathway)。以Joseph研究酵母菌代谢的实验为例，就发现了超过400个新的基因作用其中。

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