基因表达及分析技术.doc

基因表达及其分析技术

生命现象的奥秘隐藏在基因组中，对基因组的解码一直是现代生命科学的主流。基因组学研究可以说是当今生命科学领域炙手可热的方向。从DNA测序到SNP、拷贝数变异（copynumbervariation，CNV）等DNA多态性分析，到DNA甲基化修饰等表观遗传学研究，生命过程的遗传基础不断被解析。
基因组研究的重要性自然不言而喻。应该说，DNA测序技术在基因组研究中功不可没，从Sanger测序技术到目前盛行的新一代测序技术（NextGenerationSequencing，NGS）到即将走到前台的单分子测序技术，测序技术是基因组解析最重要的主流技术。而基因组测序、基因组多态性分析、DNA甲基化修饰等表观遗传分析等在基因组研究中是最前沿的课题。但是基因组研究终究类似“基因算命”，再清晰的序列信息也无法真正说明一个基因的功能，基因功能的最后鉴定还得依赖转录组学和蛋白组学，而转录作为基因发挥功能的第一步，对基因功能解析就变得至关重要。声称特定基因、特定SNP、特定CNV、特定DNA修饰等与某种表型有关，最终需要转基因、基因敲除、突变、RNAi、中和抗体等技术验证，并必不可少要结合基因转录、翻译和蛋白修饰等数据。
基因实现功能的第一步就是转录为mRNA或非编码RNA，转录组学主要研究基因转录为RNA的过程。在转录研究中，下面几点是必须考虑的：

1，基因是否转录（基因是否表达）及基因表达水平高低（基因是低丰度表达还是中、高丰度表达）。特定基因有时候在一个细胞中只有一个拷贝的表达，而表达量会随细胞类型不同或发育、生长阶段不同或生理、病理状态不同而改变。因此任何基因表达检测技术，其是否科学，就是要看能否检测到低丰度表达基因，能否检测到基因丰度的变化尤其是微弱变化，线性范围是否宽广等。这方面的误区在于，很多人过分强调特定技术能否检测到低丰度基因的表达，忽视了特定技术能否检测到基因表达丰度微弱的改变。
如果关注全基因组表达信息，那么目前最经典的技术就是全基因组表达谱芯片技术，这种基因芯片设计了数据库中所有已知基因、EST和预测基因、EST的已知转录本的探针，用来分析全基因组中已知基因、预测基因的已知转录本的表达信息。在利用基因芯片进行转录研究时，应该选择能检测低丰度表达基因的芯片技术，选择可以反映基因表达微弱变化并且线性范围广的技术，比如Affymetrix公司的转录研究方面的芯片。以GeneChip®HumanGenomeU133Plus2.0Array为例，该芯片可以分析多达38500个基因的47400个转录本（而GeneChip®HumanGenomeU133A2.0Array是对其中14500个well-characterizedhumangenes的18400个转录本进行分析的）。从精确度、重复性、性价比等角度来讲，芯片技术仍然是基因表达研究的首选技术。
除人全基因组表达谱芯片外，Affymetrix公司还可以提供以下物种的全基因组表达谱芯片：大鼠，小鼠，拟南芥，大麦，牛，线虫，狗，鸡，柑橘，棉花，果蝇，大肠杆菌，玉米，苜蓿，绿脓杆菌，蚊子/疟原虫、杨树，猪，恒河猴，水稻，金黄色葡萄球菌，大豆，甘蔗，西红柿，葡萄，小麦，爪蟾，酵母，斑马鱼等。

2，对mRNA表达而言，更重要的问题是，每个基因的编码区域由若干外显子组成，而特定基因在不同细胞类型中或不同发育、生长阶段或不同生理、病理状态下，外显子存在选择性剪接（alternativesplicing），因而会出现不同转录本。不同转录本正是解释同一基因具有不同功能甚至相反功能遗传基础。因此分析基因表达，不仅要知道基因是否表达与表达水平高低，更重要的是需要知道特定基因表达的转录本是什么。
如果关注全基因组所有外显子表达并希望预测每个基因选择性剪接，那么基因芯片仍然是该方面研究的经典技术。以Affymetrix公司的GeneChipHumanExon1.0STArray为例，该芯片可以分析已知的及预测的转录区域内的超过1百万个外显子簇的表达，分析选择性剪接。这是迄今为止最全面的、唯一的同时可以研究基因表达与选择性剪接的基因芯片。Affymetrix公司也可以提供小鼠、大鼠的此类芯片，分别分析小鼠的1百万个外显子或大鼠的85万个外显子。

3，基因调节分析。任何基因表达都是受到严格调控的，包括转录因子调控和表观遗传修饰等。如果关注特定转录因子调节的所有基因，那么ChIPonchip技术是必须的。以Affymetrix公司的GeneChipHumanPromoter1.0RArray为例，该芯片可以分析任何特定蛋白质如转录因子与超过25500个启动子的相互作用。每个启动子覆盖10-12.5kb（转录起始位点下游2.5kb+上游7.5kb，对1300个癌基因而言，上游延长至10k