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基因芯片在传染病分子流行病学中的应用

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维普资讯 http://www.cqvip.com 中华流行病学杂志2002年l0月第23卷第5期Chin J Epidemiol,October 2 2 v( . . ・399・ ・综述・ 基因芯片在传染病分子流行病学中的应用 曾浔张建中 基因芯片是指固定有许多有序列的寡核苷酸探针的载 体,通过杂交检测,对各种基因进行分析…。由于它所具有 的高通量性、快捷、便宜等优点,在各个领域起着越来越重要 的作用,其中也包括分子流行病学领域。基因芯片主要用于 菌株的地理流行病学分析、菌株的重要分子特征相关的流行 病学分析——分子流行病学的病因学研究及传染病的诊断 与鉴别诊断。本文主要从芯片的原理、应用及所存在问题等 几方面,初步探讨基因芯片在传染病流行病学应用中的广阔 前景。 一、基本原理 Fodor等 于1991年首先提出了基因芯片的概念,进而 随着分子生物学的突飞猛进,尤其是人类基因组计划的完成 及后基因组研究工作的开展,基因芯片技术日趋成熟。它是 一种通过微加工技术将成千上万个寡聚核苷酸或cDNA固 定在一个很小的芯片上,用以对各种基因进行检测和分析。 目前,基因芯片的种类主要包括寡核苷酸芯片、cDNA芯片、 肽芯片和芯片实验室(1ab on a chip)。芯片技术由于其高通 量分析特征,对于分子生物学、分子流行病学及其他相关学 科的研究将产生难以估量的影响。 基因芯片的基本原理是通过原位杂交方法,用已知的 DNA序列检测未知序列。目前,基因芯片主要用于DNA突 变分析 、基因谱差异分析 】、基因诊断分析 和大规模 基因类型分析 。其研制技术主要包括以下几大步骤:寡 核苷酸探针的合成、固定、杂交和检测。 制造基因芯片的载体材料必须是固体片状或薄膜,其表 面硅烷化后可通过连接物将各种生物分子固定,应用最普遍 的是玻璃片。 目前,连接物通常是在醇化、氨化、二硫化或丙烯酰胺化 处理的载体表面与探针连接L1 引。寡核苷酸探针主要是通 过获取mRNA、逆转录制备cDNA探针获得。逆转录过程中 加入同位素或荧光素修饰的dNTP标记;然后将合成后DNA 固定法固定在玻片上;再用标记的样品与芯片上固定的探针 间进行的特异性选择反应,即杂交反应;最后,通过荧光显微 镜检测各杂交点的荧光信号强弱或不同荧光素的颜色(双色 荧光素标记),也可用同位素标记、化学发光检测、电化学发 光检测及质谱法等进行检测。目前,基因芯片主要用于未知 DNA片段检测和基因谱差异分析。 作者单位:102206北京,中国疾病预防控制中心传染病预防控 制所腹泻病研究室 国内外有许多网站对基因芯片的概念、制造、种类等方 面有非常详细的报道 19.22],本文不再赘述。 二、基因芯片在病原微生物及分子流行病学中的应用 目前,基因芯片在真核生物方面的应用较多,而在原核 生物方面应用刚刚起步,但基因芯片在分子流行病学中的应 用已显示出广阔的前景,主要应用于以下这些领域。 1.菌株的地理流行病学分析:由于受方法学的限制,传 统的病原地理流行病学分析一次只能对病原体的少数基因 进行分析,在实际分析中不可避免地会导致一些重要的数据 的遗漏,这有可能使实验结论与实际结果出现偏差,而芯片 技术从根本上解决了这个问题。目前,应用的实例很多,最 有代表性的例子是有关对卡介苗(BCG)的分析,卡介苗是计 划免疫中非常重要的一种菌苗。由于卡介苗的原始出发菌 株在一次世界大战中丢失,同时各国的卡介苗菌株通过多次 传代,部分基因已发生改变或缺失,因此,各国的卡介苗菌株 可能存在很大的不同,这就给全球范围内的计划免疫工作带 来了很大的不便。Behr等 用DNA芯片检测了多个国家 卡介苗的子代菌株。他们通过人型结核杆菌H37Rv的基因 框架来分析卡介苗。用H37Rv的全部3 924个开放阅读框 (oRF)中的3 902个ORF制成芯片,对不同的卡介苗进行杂 交。通过比较,发现了卡介苗菌株l6个缺失区域,长度从 l 903到12 733 bp不等,其中4个区域已有报道。他们将这 些缺失区域进行统一命名,从RDl到RD16。其中9个区域 卡介苗及牛型结核杆菌(M.bozn's)菌株全部缺失,2个区域 卡介苗及牛型结核杆菌菌株部分缺失。1个区域所有卡介苗 株全部缺失。4个区域存在某种卡介苗株缺失。对于卡介苗 菌株间的不同,Behr认为那些在牛型结核杆菌存在而在卡介 苗中缺失的H37Rv的区域是在传代过程丢失的。这些问题 的解决对于疫苗评价以及改进有很大的意义,但用传统的分 子生物学方法是不可能完成的。 2.菌株分子流行病学及疾病病因学研究:传统流行病 学对于传染病爆发中不同菌株的代谢分析、毒力分析、年代 分析缺乏有效的手段。目前,大多数传染病及地方病的病因 已比较明确,但是,对于它们的分子机制却了解很少。这主 要是因为传统的方法学的限制,无法用有限的人力、物力对 大样本量、多地区的信息在短时间内进行分析。由于方法上 的欠缺,使防疫工作者很难从分子机制上探讨导致传染病爆 发的菌株之间的异同,例如在历史上几次流行性感冒和霍乱 的大流行,病原体有变异,但也有联系,这对于这些疾病的今 后防治有重要的指导意义。基因芯片与传统的流行病学方 维普资讯 http://www.cqvip.com 中华流行病学杂志2002年10月第23卷第5期Chin J Epidemiol,October 2002,Vo1.23,No.5 法相结合,恰恰解决了这个矛盾。 伴随着许多重大疫情的处理,诊断必须十分慎重。 Fitzgerald等 用芯片技术对葡萄球菌的基因组的进化 另一种对应用的限制来自芯片研究的成本。在芯片研 进行了分析,发现大约22%的基因对葡萄球菌是可有可无 究过程中,对样品的标记及探针的制备都非常耗时、耗力。 的。同时这些基因的转移在葡萄球菌的进化中起很重要的 对病原微生物来说,由于绝大部分的病原微生物都是原核生 作用。对甲氧苯青霉素耐药的葡萄球菌的 ̄qlec基因(一种抗 物,它们的共同特点是没有polyA尾巴,因此无法象真核生 内酰胺的基因)被水平的转移了5次,说明抗甲氧苯青霉素 物那样通过polyA尾巴纯化mRNA,并且用逆转录方法建立 的菌株进化了多次,而不是从单一的原始菌株进化而来。这 cDNA文库。这就给制造芯片带来很大的问题。 等 就可以解释在20世纪70年代流行的中毒性休克综合征 报道直接在混合的RNA中(mRNA、tRNA、rRNA)加入3’端 (Tss)是由宿主环境的改变造成,而不是由一个基因谱的快 的特异引物扩增cDNA探针。但是,另一方面,与真核生物 速变化产生的一个新的亚型。此研究说明基因芯片能够对 相比,病原微生物(原核生物或病毒)的研究又有得天独厚的 以往流行病学不能回答的问题(如造成Tss流行的具体原 优势。因为这些微生物的基因组都较小,只有几千个0RF, 因)进行回答。芯片的出现是对传统流行病学缺陷的有力补 同时又没有内含子,这样就可以通过对每个0I 进行扩增, 充。 用扩增产物代替cDNA,制备探针。这种探针的另外一个好 Lu等 在中国贵州等地对砷中毒性肝病的分子机制进 处就是它包含了病原微生物所有的基因,这就避免了cDNA 行了研究。他们用cDNA芯片对暴露在砷环境下6~l0年、 文库可能使某些基因遗漏的潜在问题。这样虽然解决了建 已经有部分砷中毒症状的人群进行研究。通过研究他们认 立cDNA文库的问题,但是,以大肠埃希菌为例,4 290个 为基因表达谱的变化在砷中毒性肝病及肝癌中起决定性作 0I 就需要4 290个特殊的引物,这大大的增加了科研难度 用。该研究对于大规模流行病的病因调查又开辟了新的途 和成本。因此,如何方便、快捷的建立病原微生物的检测探 径。 针是基因芯片研究中亟待突破的瓶颈。随着新技术的不断 3.传染病的诊断与鉴别诊断:传染病在流行病学中占有 出现,基因芯片的成本将会越来越低。 非常重要的地位,尤其是近年来性传播疾病(s1D)、结核病 第三,样品的获得与处理。对于传染病诊断芯片来说, 等的死灰复燃和大量新发现传染病的出现,给各级防疫部门 样品的来源广泛并且混杂有各种各样的干扰因素。在实际 提出了严峻的考验。在传染病爆发中,传统的流行病学研究 推广过程中,要使广大防疫部门在很短的时问内、在广大农 从取样、培养病原体到鉴别诊断,往往需要几天时问,这对于 村地区很快的获得象实验室中获得的样品是不可能的。因 传染病的治疗和控制极为不利。加之人员流动的频繁和传 此,这就需要传染病诊断芯片有很高的特异性和敏感性。如 播机会的急剧增加,需要找到一种快速、方便方法进行诊断 何正确的对样品进行简单的处理,使混杂因素降到最低是广 和鉴别诊断,而基因芯片恰恰能满足以上要求。目前,在这 大防疫工作者所面临的主要挑战。 方面已进行了初步的尝试。Chizhikov等 将部分沙门菌、志 第四,对于数据的处理和应用仍存在问题。基因芯片的 贺菌及埃希菌的毒力基因作为芯片上的探针,可以对以上三 出现对生物信息学提出了新的要求,对于大量的数据需要新 种菌进行检测。另外,还出现了一些用于检测HIV及结核 的方法来处理。同时,对于基因芯片所提供的信息也要求更 杆菌的芯片 0、 。但这还远远不够。这些基因芯片的共同 精确的判断。Tao等 对大肠埃希菌的全基因序列制成的 特点是检测的探针少,所得到的信息少,只是对一种病原体 芯片检测细菌生长在微量葡萄糖环境和含葡萄糖的L a肉 或几种相关的病原体的检测,对于多种病原体的鉴别诊断仍 汤环境中基因组表达方式。他们发现绝大多数基因的翻译 未进行,应当说它们只是诊断芯片的雏形。但是,由于基因 表达明显上升,而细菌在葡萄糖缺乏的环境中一些基因的表 芯片对于疫情爆发后快速的初步诊断、传染病的监控以及各 达也上升。这么多的基因表达发生了变化,这使数据的分析 地菌型变化的监测有得天独厚的优势,它以诊断快速、易携 和应用变的很困难。更重要的是,许多基因同时变化可能使 带及储存方便而操作不需要太强的专业性等使基因芯片极 真正的原因被掩盖,因为一个基因的变化往往导致一连串下 易在地区及县一级防疫部门推广。目前,在这一领域还处于 游基因或调控基因全都发生变化,因此,如何找到真正引起 探索阶段,但这是传染病诊断中主要的发展方向之一。 这些连锁反应的基因是科研人员需要注意的问题。另一个 三、存在的问题 问题是,由于绝大多数病原微生物都是原核生物,它们的 尽管基因芯片技术已有许多方面的进步。但是在分子 n1RNA多为多顺反子,即一条mRNA可翻译成多种相关蛋 流行病学的具体应用中仍存在一些问题:首先,探针的杂交 白,所以它的cDNA就代表了多个基因。而且编码这些蛋白 也有一定的错配率,从面产生一定的背景,如何区分这种背 的基因相互交错,即使以每个基因作为探针,在杂交时也很 景所造成的假阳性和由于传染病样品中由于拷贝数太低所 容易发生假阳性。这就对结果的判断带来很大的不便。这 造成的弱阳性,是传染病诊断DNA芯片面临的主要挑战,由 就需要其他相关领域的共同研究和帮助,如基因组草图的绘 于在传染病诊断DNA芯片中采用的密度较低,因此它的这 制、二维蛋白电泳等。 些缺点就不如高密度芯片那样严重。但是,由于其结果往往 四、展望 维普资讯 http://www.cqvip.com 中华流行病学杂志2002年lO月第23卷第 i j Lpid |o1 er ,ol 12 : ・401・ 从1991年Fodor提出芯片这个概念到现在,已有2 000 of microbial viulrence factors.Appl Envion Mircrobiol,200 1,67 3258.3263. 多篇各类与芯片有关的文章发表,其中绝大多数是在1999 年以后发表的。这说明基因芯片在最近二三年发展迅速,应 10 Kozal MJ,Shah N,Shen N,et a1.Extensive polymorphisms observed in the HIV-1 cladeB protease gene usig hingh・density oligonucleotide arrays.Nature Med.1996.2:753・759. 用广泛。目前,对于基因芯片的研究朝着快速、高质量、准确 的方向高速发展。虽然基因芯片仍有许多问题有待解决,但 其前景一片光明。在未来流行病学领域中,基因芯片将在以 下几个方面具有广泛的应用前景。 1l Gigeras TR,Ghandour G,n Wang E, et a1. Simultaneous genotypig annd specis iedentification usig hybrnidization pattem recognition of generic mycobacterium DNA arrays.Genome Res, l998.8:435.448. 1.传染病的快速诊断及监测:未来的传染病爆发后(尤 其是大规模自然灾害爆发后)的检测主要依靠基因芯片的快 速初筛及诊断,做到24 h内明确病因,为防疫工作者提供可 靠的数据,是指导控制疫情的必要手段。 12 Huang F,Adelman J,Jiang H,et a1.Identifiaticon and temporal expression pattern of genes modulated during irreversible growth arrest and terminal differentiation in human melanoma cells. Oncogene.1999.18:3546.3552. 2.分子流行病学资料分析:对于一些病因机制不清、病 原体相关资料缺乏的传染病可以用基因芯片进行研究,为历 史上爆发的传染病之间的联系提供新的线索。 3.病因及流行规律的探究:随着人类基因组计划的完 成,使一些遗传性疾病病因的分子机制得到了明确。基因芯 片的使用将对这些遗传性疾病的流行机制的探讨会有很大 1 3 Markus B,Jorg DH.Versatile derivatisation of s01id support media for covalent bondig non DNA-microchips.Nucleic Acids Res,1999, 27:l970.1977. 14 Proudnikov D.Timofeev E,Mirzabekov A.Imtr ̄bilization of DNA in polyacrylamide gel for the manufacture of DNA and DNA. oligonucleotide microehips.Anal Biochem.1998,259:34.41. 帮助。同时,基因芯片还可用于一些慢病(如肿瘤、慢性传染 病、原发性高血压等)的早期筛查及普查。这比用传统的方 法将更加准确、便宜、方便。 可以预见,基因芯片随着成本的不断降低、准确性的不 断提高,将成为流行病学研究中一个有力的工具。 参考文献 15 Rehman FN,Audeh M,Abrarns ES,et a1.Imtr ̄bilization of acrylamide-modifid oliegonucleotides by co-polymerization.Nucleic Acids Res.1999.27:649.655. 16 Rogers YH,Jiaog・Baucom P,Huang ZJ,et a1.Immobilization of oligonucleotides onto a glas ̄support via disulfide onds:a bmethod for preparation of DNA microarrays.Anal Biochem.1999.266:23.30. 17、Ⅳei1er J.Hoheisel JD.Combinig nthe preparation of oligonucleotide l Schena M.Editer.DNA microarrays・a practical approach.Oxford UniversityPress,1999.211. arrays and synthesis of high.quality primers.Anal Biochem,1996, 243:2l8.227. 2 Fodor SP.Read JL,Pirrung MC,et a1.Light・directed,spatially addressable parallel chemical synthesis.Science,1991,251:767. 773. 18 Kurnar A,La n O,Parodi D,et a1.Silniazed nucleic acids:a general platform or fDNA immobilization.Nucleic Acids Res,2000, l4:e71. 19 w、vw.DNA.net.en 3 Hacia JG,Collins FS.Mutational analysis using ollgonueleotide microarrays.J Med Genet,1999.36:730.736. 4 Oh MK,Liao JC.Gene expression profilig by DNA mincroarrays ndmetaabolicfluxesinEscherichia coli.Biotechnol Prog.2O0o.16: 278.286. 5 Rosenberge CM,Scott MG,Gold MR,et a1.Salmonella typhimurium infctieon and lioppolysaccharide stimulation induce 2OⅥ^^rw.37c.o0m.en 21 w、 .affymetrix.com 22 w、vw.genecore.corn 23 BehrMA,Wi1s0n MA,Gill WP,et a1.Comparative genomics of BCG vaccines by whole-genome DNA microarray.Science,1999, 284:l520.1522. similar changes in macmphage gene expression.J Immuno1.2O0o. 164:5894.59O4. 24 Fitzgerald JR,Sturdevant DE,Mackie SM,et a1.Evolutionary genomics of Staphylococcus allFeus:insights into the o啦in of methicillin・rsiestnta strains and the toxic shock syndrome epidemic. 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