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摘要:

為了便于開展基因芯片課堂教學，使學生能夠更深刻地了解基因芯片技術原理及操作流程，設計并制作了一套仿真基因芯片系統(tǒng)。可以全真模擬芯片雜交、芯片掃描、結果判定等實驗步驟。實驗室僅需配備普通移液器即可進行基因芯片的實驗教學，使學生可以切身體驗基因芯片的操作過程，有助于學生深刻理解基因芯片的原理與方法，教學效果大大提高。

關鍵詞:

基因芯片;仿真實驗

基因芯片技術是現(xiàn)代生物學研究中一個非常重要的工具［1－2］，廣泛應用于基因表達譜分析［3－4］、基因測序［5］、疾病診斷［6－7］、遺傳圖譜構建［8］等許多領域。因其前沿性、依賴于大型儀器設備、耗材昂貴等原因，對于普通學校而言，相應實驗教學非常難以進行［9－10］。因此學生不易理解其原理與方法，教學效果不佳。Campbell等［11］設計了一套仿真基因芯片教學系統(tǒng)，有助于學生對基因芯片產(chǎn)生直觀的了解，但其操作過程與真實基因芯片實驗還有很多不一致。因此本文作者設計了一套仿真度高、操作性強且成本低廉的基因芯片教學方法和設備。采用本套系統(tǒng)，實驗室僅需配備普通移液器即可進行基因芯片的實驗教學，使學生能直觀體驗基因芯片操作過程，加深理解其原理與方法，教學效果大大提高。基因芯片技術主要包括以下步驟:芯片的制作、樣品制備、分子雜交、信號檢測和結果分析。目前制備芯片主要以玻璃片或硅片為載體，采用原位合成和微矩陣的方法將寡核苷酸片段或cDNA作為探針按順序排列在載體上。生物樣品往往是從復雜的生物分子混合體中提取、擴增的DNA、RNA，然后用熒光標記，以提高檢測的靈敏度。之后將熒光標記的樣品與芯片上的探針進行雜交反應，反應后芯片上各個反應點的熒光位置、熒光強弱經(jīng)過芯片掃描儀和相關軟件分析圖像，轉換成數(shù)據(jù)，即可獲得有關生物信息。

1基因芯片仿真實驗系統(tǒng)的組成

基因芯片仿真實驗系統(tǒng)由以下模塊組成:仿真基因芯片，仿真芯片雜交儀，仿真激光掃描儀以及模擬DNA試劑。

1.1仿真基因芯片

基因芯片是一塊表面固定了序列已知的靶核苷酸探針的基片。在仿真基因芯片中，以載玻片作為載體，將有8個圓孔的PVC貼紙貼在載玻片上，最后配制2%的瓊脂糖溶液，再按表1的配方配制7種由百里香酚酞、酚酞、瓊脂糖不同比例組成的溶液。在40℃～60℃條件下，將上述7種不同比例的溶液用移液器點入PVC圓孔貼紙中的圓孔中即制成完整的基因芯片，制備好的仿真基因芯片如圖1所示。

1.2仿真芯片雜交儀

芯片雜交儀的作用是控制芯片雜交的溫度及時間。仿真芯片雜交儀由紙盒制成，盒蓋可以打開，內(nèi)部設卡槽，可供放入模擬的基因芯片，如圖2所示。

1.3仿真芯片掃描儀

芯片掃描儀通過激光掃描芯片，將信號存入電腦，由電腦合成圖像，并進行結果分析。仿真激光掃描儀外部開口，可放入雜交后的仿真芯片，內(nèi)置一瓶5%的NaOH溶液。按動按鈕，NaOH溶液呈霧狀噴灑到仿真芯片上，使芯片很快顯色，如圖3所示。

1.4模擬DNA試劑

熒光標記的DNA試劑視覺上與水無異，雜交后肉眼也看不出任何變化，因此用純凈水即可模擬DNA試劑，本套系統(tǒng)設置兩支模擬DNA試劑，分別為紅色熒光標記的正常細胞DNA和藍色熒光標記的癌細胞DNA。

2實驗流程

2.1芯片制作

真實的基因芯片一般由專業(yè)的公司制作，絕大多數(shù)研究者只需購買即可。所以本仿真實驗流程設計的仿真芯片亦由教師在課外做好。課堂實驗流程從芯片雜交開始。

2.2芯片雜交

如圖4所示，將模擬DNA試劑滴加到仿真芯片上，然后將仿真芯片置于仿真芯片雜交儀，置于室溫下10min。

2.3芯片掃描

從仿真芯片雜交儀中取出芯片，插入仿真掃描儀的卡槽中，按動掃描按鈕2次，模擬激光掃描。等待數(shù)秒后取出芯片進行結果分析。

2.4結果分析

如圖5所示，芯片從仿真掃描儀中取出后呈現(xiàn)出多種顏色，其中1為藍色、2為紅色、3為紫色、4為淺藍色、5為淺紅色、6為淺紫色、7和8無色。顯色原理是存在于凝膠中的顯色劑與仿真掃描儀中噴出的霧狀NaOH溶液發(fā)生了顏色反應，不同配比的顯色劑呈現(xiàn)不同色彩。這個結果模擬了基因芯片的實驗結果:芯片上的每個點固定著代表一個基因的探針，能夠與樣品中的DNA雜交。1號點呈現(xiàn)藍色，表明相應的基因在癌細胞中轉錄，以其為模板制備的藍色熒光標記的DNA被1號點的探針捕獲。經(jīng)激光掃描，1號位發(fā)出藍色熒光信號。2號點呈現(xiàn)紅色，表明相應的基因在正常細胞中轉錄，以其為模板制備的紅色熒光標記的DNA被2號點的探針捕獲。經(jīng)激光掃描，2號位發(fā)出紅色熒光信號。同理，紫色的信號表明相應基因在2種細胞中都有轉錄，而無色的信號表明相應基因在兩種細胞中都沒有轉錄。因為信號的強度與探針捕獲的DNA量呈正相關關系，因此顏色的深淺就可以顯示基因轉錄的水平高低。

2.5注意事項

NaOH溶液有一定腐蝕性，因此從仿真掃描儀中拿出后手持芯片末端，不可觸碰其他地方，實驗完后用自來水輕輕沖洗芯片即可。

3討論

基因芯片屬于高新技術，成本高昂，目前國內(nèi)只有為數(shù)不多的實驗室可以開展利用基因芯片的科學研究工作，普通中學生甚至大學生往往只聞其名而未見其面，更不論親身參與實驗了。因此，基因芯片對一般學生而言充滿神秘和不可企及的感覺，這種現(xiàn)狀對這項高科技的教學和發(fā)展顯然是不利的。為了開展基因芯片實驗教學，美國教師A．M．Campbell發(fā)明了一種展示基因芯片原理的方法［4］，即用酸堿指示劑和瓊脂糖凝膠混合，并用NaOH溶液使之顯色，以此來模擬基因芯片實驗的結果，取得了一定的教學效果。本文作者借鑒了A．M．Campbell的部分思路，采用了與之相近的顯色原理，但又做了許多重要改進。例如研制了仿真激光掃描儀、仿真芯片雜交儀等設備，此外，實驗的流程也盡量接近真實的基因芯片實驗過程。使用本套仿真實驗系統(tǒng)，可在教師講解完實驗原理和流程之后，每個學生領取一片制作好的仿真芯片進行實驗操作(加樣、芯片雜交、芯片掃描、結果判定)。實驗過程中，教師可自行設定實驗場景，例如可以設定場景為測定癌細胞和正常對照細胞的基因表達差異。實驗前告知學生，癌細胞cDNA使用藍色熒光標記和正常對照細胞cDNA用紅色熒光標記，結果出來后，教師可提出一些思考題，如“芯片上每個不同的點的顏色代表什么意義”等。相信經(jīng)過眼見為實的操作，學生可以更容易理解基因芯片的原理，并激發(fā)他們的學習興趣和投身科研的熱情。

作者:謝妤 易文奇 姜瓊 彭玲 單位:宜春學院