“基因芯片”仿真实验设计

谢 妤， 易文奇， 姜 琼， 彭 玲

(宜春学院， 江西 宜春 336000)

“基因芯片”仿真实验设计

谢 妤， 易文奇， 姜 琼， 彭 玲

(宜春学院， 江西 宜春 336000)

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为了便于开展基因芯片课堂教学，使学生能够更深刻地了解基因芯片技术原理及操作流程，设计并制作了一套仿真基因芯片系统。可以全真模拟芯片杂交、芯片扫描、结果判定等实验步骤。实验室仅需配备普通移液器即可进行基因芯片的实验教学，使学生可以切身体验基因芯片的操作过程,有助于学生深刻理解基因芯片的原理与方法，教学效果大大提高。

基因芯片；仿真实验

基因芯片技术是现代生物学研究中一个非常重要的工具[1-2]，广泛应用于基因表达谱分析[3-4]、基因测序[5]、疾病诊断[6-7]、遗传图谱构建[8]等许多领域。因其前沿性、依赖于大型仪器设备、耗材昂贵等原因，对于普通学校而言，相应实验教学非常难以进行[9-10]。因此学生不易理解其原理与方法，教学效果不佳。Campbell等[11]设计了一套仿真基因芯片教学系统，有助于学生对基因芯片产生直观的了解，但其操作过程与真实基因芯片实验还有很多不一致。因此本文作者设计了一套仿真度高、操作性强且成本低廉的基因芯片教学方法和设备。采用本套系统，实验室仅需配备普通移液器即可进行基因芯片的实验教学，使学生能直观体验基因芯片操作过程，加深理解其原理与方法，教学效果大大提高。

基因芯片技术主要包括以下步骤：芯片的制作、样品制备、分子杂交、信号检测和结果分析。目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体，采用原位合成和微矩阵的方法将寡核苷酸片段或cDNA作为探针按顺序排列在载体上。生物样品往往是从复杂的生物分子混合体中提取、扩增的DNA、RNA，然后用荧光标记，以提高检测的灵敏度。之后将荧光标记的样品与芯片上的探针进行杂交反应，反应后芯片上各个反应点的荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件分析图像，转换成数据，即可获得有关生物信息。

1 基因芯片仿真实验系统的组成

基因芯片仿真实验系统由以下模块组成：仿真基因芯片，仿真芯片杂交仪，仿真激光扫描仪以及模拟DNA试剂。

1.1 仿真基因芯片

基因芯片是一块表面固定了序列已知的靶核苷酸探针的基片。在仿真基因芯片中，以载玻片作为载体，将有8个圆孔的PVC贴纸贴在载玻片上，最后配制2%的琼脂糖溶液，再按表1的配方配制7种由百里香酚酞、酚酞、琼脂糖不同比例组成的溶液。在40℃～60℃条件下，将上述7种不同比例的溶液用移液器点入PVC圆孔贴纸中的圆孔中即制成完整的基因芯片，制备好的仿真基因芯片如图1所示。

图1 制作好的“仿真基因芯片”

1.2 仿真芯片杂交仪

芯片杂交仪的作用是控制芯片杂交的温度及时间。仿真芯片杂交仪由纸盒制成，盒盖可以打开，内部设卡槽，可供放入模拟的基因芯片，如图2所示。

图2 仿真芯片杂交仪

1.3 仿真芯片扫描仪

芯片扫描仪通过激光扫描芯片，将信号存入电脑，由电脑合成图像，并进行结果分析。仿真激光扫描仪外部开口，可放入杂交后的仿真芯片，内置一瓶5%的NaOH溶液。按动按钮，NaOH溶液呈雾状喷洒到仿真芯片上，使芯片很快显色，如图3所示。

图3 仿真芯片扫描仪

1.4 模拟DNA试剂

荧光标记的DNA试剂视觉上与水无异，杂交后肉眼也看不出任何变化，因此用纯净水即可模拟DNA试剂，本套系统设置两支模拟DNA试剂，分别为红色荧光标记的正常细胞DNA和蓝色荧光标记的癌细胞DNA。

2 实验流程

2.1 芯片制作

真实的基因芯片一般由专业的公司制作，绝大多数研究者只需购买即可。所以本仿真实验流程设计的仿真芯片亦由教师在课外做好。课堂实验流程从芯片杂交开始。

2.2 芯片杂交

如图4所示，将模拟DNA试剂滴加到仿真芯片上，然后将仿真芯片置于仿真芯片杂交仪，置于室温下10 min。

图4 将标记的DNA样品加到仿真芯片上

2.3 芯片扫描

从仿真芯片杂交仪中取出芯片，插入仿真扫描仪的卡槽中，按动扫描按钮2次，模拟激光扫描。等待数秒后取出芯片进行结果分析。

2.4 结果分析

如图5所示，芯片从仿真扫描仪中取出后呈现出多种颜色，其中1为蓝色、2为红色、3为紫色、4为浅蓝色、5为浅红色、6为浅紫色、7和8无色。显色原理是存在于凝胶中的显色剂与仿真扫描仪中喷出的雾状NaOH溶液发生了颜色反应，不同配比的显色剂呈现不同色彩。这个结果模拟了基因芯片的实验结果：芯片上的每个点固定着代表一个基因的探针，能够与样品中的DNA杂交。1号点呈现蓝色，表明相应的基因在癌细胞中转录，以其为模板制备的蓝色荧光标记的DNA被1号点的探针捕获。经激光扫描，1号位发出蓝色荧光信号。2号点呈现红色，表明相应的基因在正常细胞中转录，以其为模板制备的红色荧光标记的DNA被2号点的探针捕获。经激光扫描，2号位发出红色荧光信号。同理，紫色的信号表明相应基因在2种细胞中都有转录，而无色的信号表明相应基因在两种细胞中都没有转录。因为信号的强度与探针捕获的DNA量呈正相关关系，因此颜色的深浅就可以显示基因转录的水平高低。

2.5 注意事项

NaOH溶液有一定腐蚀性，因此从仿真扫描仪中拿出后手持芯片末端，不可触碰其他地方，实验完后用自来水轻轻冲洗芯片即可。

图5 显色后的芯片

序号百里香酚酞(μL)酚酞(μL)琼脂糖(μL)颜色150000深蓝205000深红32502500深紫41000400浅蓝50100400浅红6100100300浅紫700500无色800500无色

3 讨论

基因芯片属于高新技术，成本高昂，目前国内只有为数不多的实验室可以开展利用基因芯片的科学研究工作，普通中学生甚至大学生往往只闻其名而未见其面，更不论亲身参与实验了。因此，基因芯片对一般学生而言充满神秘和不可企及的感觉，这种现状对这项高科技的教学和发展显然是不利的。

为了开展基因芯片实验教学，美国教师A.M. Campbell发明了一种展示基因芯片原理的方法[4]，即用酸碱指示剂和琼脂糖凝胶混合，并用NaOH溶液使之显色，以此来模拟基因芯片实验的结果，取得了一定的教学效果。本文作者借鉴了A.M. Campbell的部分思路，采用了与之相近的显色原理，但又做了许多重要改进。例如研制了仿真激光扫描仪、仿真芯片杂交仪等设备，此外，实验的流程也尽量接近真实的基因芯片实验过程。

使用本套仿真实验系统，可在教师讲解完实验原理和流程之后，每个学生领取一片制作好的仿真芯片进行实验操作(加样、芯片杂交、芯片扫描、结果判定)。实验过程中，教师可自行设定实验场景，例如可以设定场景为测定癌细胞和正常对照细胞的基因表达差异。实验前告知学生，癌细胞cDNA使用蓝色荧光标记和正常对照细胞cDNA用红色荧光标记，结果出来后，教师可提出一些思考题，如“芯片上每个不同的点的颜色代表什么意义”等。相信经过眼见为实的操作，学生可以更容易理解基因芯片的原理，并激发他们的学习兴趣和投身科研的热情。

[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，吴小芹，黄 麟，等. 基因芯片技术在生物研究中的应用进展[J]. 江苏农业科学, 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. 基因芯片技术在乙肝病毒分型和耐药突变检测中的应用[J]. 实用临床医药杂志, 2015, 19(9): 49-51.

[7]吴国兰, 陈晓红, 翁丽珍,等. 基因芯片技术在鉴定分枝杆菌属及早期诊断耐药结核中的价值分析[J]. 中国医刊, 2016, 51(5):44-47.

[8]陈建省，陈广凤，李青芳，等. 利用基因芯片技术进行小麦遗传图谱构建及粒重qtl分析[J]. 中国农业科学, 2014, 47(24):4769-4779.

[9]郝培应, 王为民. 生物芯片技术课堂互动式教学模式探究[J]. 高教论坛, 2011(1):76-78.

[10]周 猛, 孙 杰, 汪强虎. PBL教学法在医学院校生物芯片课程教学中的应用探索[J]. 卫生职业教育, 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

江西省高等学校教学改革研究课题(JXJG-13-15-18)

谢 妤，硕士研究生，讲师，主要从事生物化学与分子生物学研究，E-mail：781748925@qq.com

姜 琼，博士，副教授，主要从事生物化学与分子生物学研究，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