基因芯片技术在现代畜牧业中的应用

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  摘要 基因芯片技术是建立在杂交序列基本理论上的分子生物学技术,具有强大的类比性、重复性、微型化和自动化等特点。由于其克服了传统核酸印迹杂交技术操作复杂、自动化程度低、检测效率低等缺点,得以飞速发展,特对该技术以及其在畜牧业的新兽药开发、DNA测序、新基因的发现、基因诊断等领域的应用进行概述。
  关键词 基因芯片;基因诊断;现代畜牧业
  
  基因芯片是生物芯片的一种,又称DNA芯片、DNA微列阵等,是近几年才发展兴起的高新技术。基因芯片指的是在固相载体(如硅片、玻片、聚丙烯等)上按照预先设计的排列方式,固定上大量已知序列的DNA/RNA片断,形成DNA/RNA微矩阵。将样品基因组DNA/RNA进行体外扩增并掺入标记分子后,与位于微阵列上的已知DNA序列杂交。通过激光共聚荧光检测系统等对芯片进行扫描,检测杂交信号强度,并用计算机软件进行数据的比较和综合分析后,获得样品中大量的基因序列特征或基因表达信息,从而达到判断靶核酸的有无或数量的目的。基因芯片技术是当今生命科学领域集微电子学、生物学、化学和计算机科学于一体的高度交叉的一项尖端应用型新技术,现已成为国际上的前沿和热点。现将基因芯片技术及其在畜牧业中的应用作一综述。
  
  1工作原理
  
  基因芯片技术是建立在基因探针和杂交测序技术上的一种高效快速的核酸序列分析手段。它将大量的基因探针有序地、高密度地排列在一块1~2cm2大小的载体上,形成可与目的分子相互作用的固相表面,然后与標记的样品进行杂交,通过检测杂交信号的强度及分布进行分析。它与其他分析基因表达谱的技术,如RNA印迹、cDNA文库序列测定、基因表达序列分析等的不同之处在于,基因芯片可以在一次试验中同时平行分析成千上万个基因[1]。
  DNA芯片的突出优点:①强大的类比性。使得以往需多次处理的遗传分析在同一时间和条件下快速完成。②巨大的信息产出率。在一张芯片上不仅可以获得组织、细胞、血液等基因表达信号的定性、定量分析,还可实现全局检测静态到动态、时间与空间上的差异及遗传信息。③高度敏感性和专一性。能可靠并准确检测出10 pg/μL的DNA样品。④高度重复性。一张由尼龙膜制作的微阵列,可以重复杂交使用多达20次。⑤微型化和自动化。现已出现的芯片面积最大不过525cm2,最小仅有1cm2;每个阵列中阵点所需要的样品DNA的用量很少;试剂用量和反应体积大大减少,反应效率却成百倍提高。⑥哺育新的试验方法。此技术易与其他常规生物技术相融合交叉。基因芯片这些独一无二的特点也代表了后基因组时代技术的发展方向。
  
  2基因芯片技术的主要技术流程[2]
  
  基因芯片技术主要包括4个基本要点:芯片方阵的构建、样品的制备、生物分子反应和信号的检测。①芯片制备。先将玻璃片或硅片进行表面处理,然后使DNA片段按顺序排列在芯片上。②样品制备。生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体,除少数特殊样品外,一般不能直接与芯片反应。可将样品进行生物处理,获取其中的DNA、RNA,并且加以标记,以提高检测的灵敏度。③生物分子反应。芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键一步。通过选择合适的反应条件使生物分子间反应处于最佳状况中,减少生物分子之间的错配比率。④芯片信号检测。常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中,通过扫描以获得有关生物信息。
  
  3基因芯片在畜牧业生产中的应用
  
  3.1兽药筛选和新兽药的开发[3]
  如何分离和鉴定药的有效成分是目前兽药产业开发遇到的重要障碍,基因芯片技术是解决这一障碍的有效手段。由于所有兽药都是直接或间接地通过修饰、改变动物基因的表达及表达产物的功能而生效,所以可以利用基因芯片技术分析用药前后机体的不同组织、器官基因表达的差异,从而可以从众多药物成分中筛选出起作用的部分物质。而芯片技术具有高通量、大规模、平行性地分析基因表达的能力,在药物筛选方面具有巨大的优势。用芯片作大规模的筛选研究可以省略大量的动物试验,缩短药物筛选所用时间,提高效率,降低风险和费用。
  3.2疾病诊断
  畜牧业的高速发展,饲养方式的集约化,使得传染病变得更加复杂。多种致病因子混合感染,使得畜禽疾病的诊断更加困难,防治难度相应增加,传统的诊断方法,如病毒分离、血凝与血凝抑制试验、琼脂扩散、ELISA等,虽然可靠,但是每次只能检测一种病原;而生物芯片能一次检测多种病原,而且需要样品量少、灵敏、特异、快速、费用低廉。美国研究人员研发出了一种“基因芯片”,以流感病毒基因为模板,可快速检测各种流感病毒,其中包括H5N1型高致病性禽流感病毒。 这种基因芯片名为“M芯片”,由科罗拉多大学与美国疾病控制和预防中心合作研制,测试感冒病毒十分准确,可轻易区分H5N1型禽流感病毒与普通感冒病毒。吴时友等[4]应用PCR或RT-PCR方法分别获得鸡新城疫、禽流感、鸡传染性支气管炎等14种病的病原的核酸特异性片断,以这些片断为探针,采用接触式电样技术制成低密度的DNA阵列芯片,此基因芯片可同时检测14种禽类传染病。此外,杨素等[5]分别利用水疱性口炎病毒、口蹄疫病毒等7种病毒各一段保守的基因片段构建质粒,在此基础上制备的芯片探针,可同时对这7种传染病进行快速、准确地诊断。由此可见,基因芯片技术在疾病诊断方面的前景是很广阔的。
  3.3DNA测序
  人类基因组计划的实施促进了更高效率的、能够自动化操作的测序方法的发展,基因芯片利用固定探针与样品进行分子杂交产生的杂交图谱而排列出待测样品的序列,这种测序方法比传统的Sanger双脱氧链终止法快速而且具有十分诱人的前景。如使用美国affymetrix 公司1998年生产出的带有13.5万个基因探针的芯片使人类DNA解码速度提高了25倍。Mark chee等用含13.5万个寡核苷酸探针的阵列测定了全长为16.6kb的人线粒体基因组序列,准确率达99%[6]。Hacia等用含有4.8万个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差异,发现在该基因外显子中的部分的核酸序列同源性非常高(83.5%~98.2%),提示了二者在进化上的高度相似性[7]。基因芯片在畜禽基因测序中的应用也将会越来越广泛,全世界正在建立各个畜禽品种的基因库,需要做大量的测序工作,基因芯片技术对这些畜禽品种基因库的快速建立的贡献是不可估量的。
  3.4寻找新基因
  有关试验表明,在缺乏任何序列信息的条件下,基因芯片也可用于基因发现,如hme基因和黑色素瘤生长刺激因子就是通过基因芯片技术发现的。Chitko-McKown等[8]研究了用LPS处理过的牛巨噬细胞基因表达的变化情况,其反转录的cDNA与人的基因芯片进行杂交,发现44个基因的表达存在差异,其中有18个基因是牛的巨噬细胞新基因。Dvorak C.M.T等[9]利用基因芯片技术研究猪肠黏膜的派伊尔氏淋巴集结功能的分子机制时发现在3 687个ESTs中出现了2 414个特异核苷酸序列,其中至少371个基因是新基因。Schena等[10]用包含1 056个cDNA的芯片与热休克作用和佛波酯处理的T细胞的cDNA杂交,发现了4个新基因。
  3.5高产、优质、高抗性等基因筛选及其优良杂种后代选育
  畜禽的不同性狀表型是其基因型决定的,是由单一或众多基因相互协同作用的结果。畜禽高产、优质等性状可能是质量性状也可能是数量性状。通过分子生物学方法,科研人员已经找到了很多由单一基因控制的性状,但对于发现更多的有用基因,或者鉴定由多基因控制的多态性变化与畜禽表型的关系,分子生物学方法则有些无能为力。基因芯片技术为传统分子生物学研究提供了新的工具和思路,使快速发现具有重要应用价值的新基因以及研究基因表达的差异和多态性成为可能。通过制作全基因组芯片,科研人员可以在多样本大群体中快速识别与相关性状和功能有关的特殊功能基因,比如与畜禽高产、优质等相关的基因,从而为新品种选育、物种改良、加快育种进程提供基础。
  优良杂种后代选育在育种工作中,从大量的杂交组合群体中筛选具有目的基因的优良杂合体或者纯合体,从而选育出具有优良性状或者说符合育种目的的目标个体,是最繁重的一步。但利用基因芯片技术,则可以简化传统的育种程序,科研人员只需要制作带筛选目的基因的芯片,在实验室里利用采集分离出来的畜禽基因就能够实现从杂种后代中筛选出优良个体育成新品种的过程,而不再需要从通过繁杂的辛勤的育种工作和长时间的选择。因此,通过基因芯片技术,可以改变传统育种工作模式,使畜禽遗传育种工作变得简单、高效、快速、精确。例如,浙江大学徐宁迎等利用基因芯片技术以及其他相关技术筛选出与猪群的胴体组成、鲜肉产品的感观质量及其加工性状、脂肪的质量性状(包括脂肪含量、嫩度、肉色、肌纤维直径、大理石纹等)等肉质性状相关的主基因和遗传效应十分明显的遗传标记。使得今后的畜牧业生产可以根据畜主的需要来筛选自己所需要的优良品种,极大地促进了畜牧业生产的发展。基因芯片技术是一项高通量的检测技术,可以同时研究成千上万条基因的表达情况,在畜牧高产、优质、高抗性等基因筛选及其优良杂种后代选育中将有很广阔的前景。
  3.6后基因组研究
  基因组测序完成后未知基因的功能研究是一个十分诱人的课题。斯坦福大学的Davis研究小组利用DNA芯片技术对酵母缺失突变株进行定量分析,以确定酵母全序列测定完成后发现新的ORF,说明畜禽基因组中未知功能的ORF可用DNA芯片来探明,这在畜禽育种上具有重大应用价值。随着人类基因组计划的迅猛发展,人类已经完成25种染色体(22种常染色体、2种性染色体和1种线粒体染色体)共计30亿对碱基的序列测定,以及小鼠、果蝇、线虫等模式生物的全基因组序列的测定,基因组计划由此进入后基因组时代,研究的重点将由发现基因转向发现基因的功能,人们将逐步阐明从基因到蛋白再到生命现象这一过程的奥秘。如何大规模研究这些基因的功能,特别是基因相互作用和调控关系,迫切需要一种新的方法能以大规模、高通量的方式进行成千上万个基因在各种生理和病理状态下表达模式的研究,传统的Northern blot或点杂交方法及以电泳为基础的基因表达、序列测定、突变和多态性分析等研究方法显然不能适应上述的要求,只有基因芯片技术才能担当此重任。
  
  4发展与展望
  
  DNA芯片技术已证明可以进行基因诊断、基因表达研究、基因组研究、发现新基因及各种病原体的诊断等众多领域的研究,具有广阔的应用前景。该项技术本身是众多学科众多技术的相互融合相互渗透的结果。目前,由于受到成本高的局限,使得该项技术的推广应用也必然受到局限,同时,一些假阳性背景也使得其应用受限。相信随着生命技术的不断向前发展,计算机处理软件的进一步开发利用,DNA芯片技术必将得到越来越多的应用。基因芯片技术在畜牧业上的推广应用,主要取决于开发商能否给畜牧业提供合理价格的芯片。在不久的将来,基因芯片技术必将成为畜牧业研究的常规手段,为畜牧业带来一场新的革命。
  
  5参考文献
  
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  [4] 吴时友,尹燕博,郑形形,等.鸡14种病毒病基因芯片的研究[J].中国动物检疫,2005,22(7):27-29.
  [5] 杨素,花群义,徐自忠,等.几种动物病毒的基因芯片检测技术[J].中国兽医科技,2004,34(3):35-39.
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