065-基因芯片发展简史

刘小泽写于18.12.11

这次是应花花的邀请，学习下基因芯片的相关知识，我们现在了解NGS比较多，但是在它之前，芯片可是老大的地位。那么是什么原因导致了这个技术的兴起呢？

首先简单说什么是基因芯片？

基因芯片就是一块有DNA涂层的特殊玻璃片（叫基片），可以在数平方厘米的面积上制作出成千上万的核酸探针。

测序时，按照“杂交测序”的核心原理：通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定。例如：在一块基片表面固定了序列已知的核苷酸探针。当溶液中带有荧光标记的核酸序列与芯片上对应位置的核酸探针产生互补配对时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列。这样可以重组出靶核酸序列

目前市面上主流的芯片供应商有：Affymetrix（现属赛默飞 Thermo Fisher）、Illumina、Agilent、NimbleGen（现属罗氏 Roche）

基因芯片中主要包括：DNA 芯片（检测SNP、甲基化、拷贝数变异CGH）；RNA芯片（mRNA、lncRNA、miRNA）

Affymetrix（昂飞）

作为基因芯片行业的先驱，必须从昂飞开始说。它是全球销量第一的基因芯片厂家，第一款商业化基因芯片的诞生之地，也是全球基因芯片行业标准的制定者

在20世纪80年代到90年代初，Stephen P.A. Fodor博士就带领团队研究怎样结合生物数据与半导体技术，他们尝试在小玻璃芯片上建立大量的生物数据，1991年，他们在1cm^2^ 左右的玻璃片上原位合成寡核苷酸片段，制造了世界上第一个寡核苷酸芯片。

1992-Stephen P.A. Fodor博士在硅谷成立Affymetrix公司

1994-商业化运营GeneChip，推出了第一张商业化基因芯片，并且注册了商标，因此后来我们见到的芯片都只能叫“Microarray”（微阵列，这个名字真的没有什么特别的，这是因为不能侵权只能另外想了一个）。 1996年公司上市。

2000年2月，Affymetrix 收购了DNA芯片仪器公司Genetic MicroSystems；

2000年10月，Affymetrix收购了计算基因组学公司Neomorphic；

2004年，Affymetrix的仪器和芯片制造设备通过ISO认证，其GeneChip® System 3000Dx (GCS 3000Dx)获得美国FDA和欧盟CE认证，成为第一个可以分析体外诊断芯片的基因芯片系统

2005年，Affymetrix收购了基因研究公司 ParAllele BioScience，随后又收购了分子生物学和生物化学试剂产品公司USB及膜蛋白提取纯化产品公司Anatrace；

2008年，Affymetrix收购了基因标记公司True Materials 和芯片公司Panomics；

2012年，收购了免疫肿瘤研究和诊断公司eBioscience。

2012年Affymetrix公司与深圳华大基因合作，共同研发及推广与植物、农作物和家畜相关的基因芯片

2015年Affymetrix通过1500万美元的全现金交易收购了Eureka Genomics

2016年1月9日被赛默飞以13亿美金收购

Affymetrix的技术优势

专利产品：光蚀刻原位合成的寡核苷酸芯片（可用很少的步骤合成大量的 DNA 芯片，相比cDNA芯片和单一序列的寡核苷酸芯片，可以有效的区分有同源性的基因序列）；

高密度的点阵技术；

PM-MM探针设计，具有极高的特异性和灵敏度【芯片上的每一个基因或EST都是由一个或几个探针组(probe set)组成，每组探针组又由11-20对25mer的探针对(probe pair)组成，每探针对包括两个探针池(probe cell)，其中一个是完全匹配（Perfect-Match，PM）的，另外一个是序列中间有一个碱基错配的(Mis-match，MM)】；

可以得到全转录本表达谱芯片；

Affymetrix的SNP芯片可以用于在全基因组水平上寻找人类疾病或其他性状的相关基因

Illumina

我们肯定都在用illumina的二代测序，但是它的芯片领域也是非常强的，并且它是靠芯片发家的。

Illumina的实验室里，有许多“Oligator”的仪器，作用就是合成出无数个被称作寡核苷酸的 DNA 单股短片断。大多数寡核苷酸的长度只有 17 纳米左右，但每一个寡核苷酸中所包含的信息都与人类 DNA 的 30 亿个螺旋硷基对的某一对完全一致，这些SNPs可以为疾病研究提供方向。于是这些寡核苷酸就成为了Illumina公司DNA微阵列的关键元件。

20 世纪 90 年代末，John Stuelpnagel对 Affymetrix 公司最早在基因芯片领域展开业务的，但是当时Affymetrix是利用照相平板印刷术在石英晶片上安装寡核苷酸，比较麻烦。2003年开始，illumina自己开发了“微珠”技术：先把数十万个寡核苷酸集中到极微小的玻璃珠上。Illumina 生产了数百批微珠，每批微珠上附有一种不同的寡核苷酸，这种寡核苷酸会寻找并锁定 DNA 样本中某个具体的序列。然后将微珠混合在一起，做成一个容器类的东西，再插入许多细小光纤。于是当微珠进入自己的位置后，激光会扫描纤维束，以确认每个玻璃纤维的末端都有一个寡核苷酸 。利用这个技术，illumina成为了人类基因组项目（International HapMap Project）中主要的芯片供应商

Illumina的技术优势

单碱基检测技术、可以定制或者半定制、高重复性；侧重SNP芯片、甲基化芯片、激光共聚焦微珠芯片

Agilent（安捷伦）

简单说下优势：通用性高、采用非接触式喷点的寡核苷酸原味合成技术、自由选择单色或者双色标记、芯片之间或批次之间的重复性很好；强项就是microRNA芯片

标志性事件

• 在昂飞的芯片理念带动下，1994年俄罗斯研制出了用于检测β-地中海贫血病的基因芯片，可以通过病人血样筛选出100多个β-地中海贫血已知的基因突变
• 1995年首次Schena等人利用DNA微阵列技术并行检测了拟南芥多个基因的表达水平，发表在Science上
• 1995年，斯坦福大学P.O.Brown实验室研制了第一块以玻璃为载体的cDNA微阵列
• 1996年，Affymetrix公司运用激光共聚焦及分子生物学技术研制出首块cDNA芯片
• 1997年，Brown实验室又完成了世界上第一张全基因组芯片（6166个基因的酵母全基因组）
• 美国开展人类基因组计划后，1998年正式启动基因芯片计划
• 1998年Affymetrix公司制造了含有13.5万个基因探针的芯片，将基因解码速度提高了25倍
• 2001年人类第一个基因组发布之后，二代测序开始发展，在部分生物检测领域（例如基因表达谱分析）逐渐替代了基因芯片（如全转录组测序）