微电子学与计算机

基因芯片技术及其在耳聋研究中的应用

 

综述ieeSinicorao r n pehRhbttf HenoChns cetiJunlfaigadSec ea…aino:.99.n17—9320.6071sdi036 ̄is.6243.090.0基因芯片技术及其在耳聋研究中的应用 chi diTheDNAspan tapplat ot tiicont hesudyofhingl  ear oss ■赵建东戴朴 韩东一HJa-dnZA0 /nog,DA/Pu,HDn-yAN oE/【R6.3【B【17—43(090—03—4中图分类号]744文献标识码】文章编号】629320)6000 基因芯片又称DNA芯片(   c P)、DNAh i  测效率低等问题。DNA微阵列(cOr  r a,DNAmi a Y)寡核苷酸阵列r②低成本对大规模基因进行检测.其是基尤采不且 ( gncetd ary等。因芯片技术是融微 因筛查时.用传统方法.仅费时,成本较高,JOjouIojera)基 电子学、物学、理学、学、算机科学等多学 而采用基因芯片则可有效降低检测成本。生物化计它科为一体的新技术。可以将生物中许多不连续③高度自动化和微型化基因芯片技术由于激阅的分析过程.植到固相的介质芯片,使其连续 采用了电脑机械手、光共焦扫描仪、读仪以及移并使化和微型化。着基因芯片技术的逐渐成熟.因 电脑图像处理等技术,得检测过程高度自动化随基芯片已逐步从实验室走向工业化 在生物医学领 和微型化 节约了大量人力并减少了人为因素所域获得了广泛应用。  导致的检测误差。1基因芯片技术概况 13基因芯片技术在耳聋研究中的应用 11基因芯片的基本原理及分类其耳聋作为一种病理现象,发生与基因的表基因芯片将许多特定的寡核苷酸片段或基因 达密切相关 且耳聋基因的表达在不同细胞 不同如片段作为探针,一定顺序密集排列在固相载体 阶段亦是不同的 其表达复杂多变,果应用传统按有然工表面,形成致密、序的分子点阵,后用同位素 的方法对耳聋基因表达进行研究,作量是十分而高快或荧光物质标记的样品与探针按碱基配对原理进 巨大的:基因芯片则可以平行、效、速地进行杂交.过放射自显影或荧光共聚焦显微镜扫通从行基因表达差异的检测,而为基因功能的分析描,利用计算机系统对杂交信号进行检测、较.提供了一种新的技术手段。目前基因芯片在耳聋比  从而迅速得出所检样品中分子的数量和序列信 中的应用主要体现在以下几个方面。息。因芯片的类型按不同的分类方法可分为不基2基因芯片在耳聋基因表达研究中的应用按同的类型。芯片的制备方法可分为原位合成法其耳蜗作为将声音转变为神经冲动的器官.和合成点样法。探针的种类可分为cA微阵列 功能的正常实现同耳蜗各部结构的正常发育和按DN 芯片和寡核苷酸微阵列芯片等。而形态密不可分,耳蜗特异性的基因表达对其发1 2基因芯片的特点及优势rMCemot育和形态具有重要作用。D t…用寡核苷高①高通量.速度 703基因芯片技术同时将大量 酸芯片在斑马鱼内耳毛细胞中确认了1 个内所探针固定于支持物上,以可以一次性对样品大其耳毛细胞特异性表达的基因.编码的蛋白质的从突量序列进行检测和分析,而解决了传统杂交技 功能涉及到细胞的跨膜运输、触传递 转录控自操检术操作繁杂、动化程度低、作序列数量少、 制、胞粘附、号传导等多个方面。中选取了细信从ES和F 27结sAHOREIT1 两个基因进行功能研究.作者单位解放军总医院耳鼻咽喉一头颈外科果表明这两个基因对于动纤毛的发育和功能是083北京105同必不可少的。时他还确认了一个在毛细胞中表赵建东在职博士研究生主治医师作者简介:研究方 JDNS2。达的耳聋候选基因KJ 20耳蜗不仅具有相聋病分子诊断及耳鼻喉临床研究向:而对特异的基因表达,且其各部结构的基因表达戴通讯作者:au0@r i oppnn朴di31isacr从亦是不同的.而使耳蜗复杂的生理功能得以实d316 e 韩东一hy0@23nt现。RsDA基因芯MORI 用一种定制的小鼠内耳cNO9期中国听力语言康复科学杂志20第6nes centiChieSifnalfHearnicJouro iqandSpeechRehab_ti  Ilaton综述CE)芯片(MA—I1来研究耳蜗内基因的差异表达。基中国人耳聋特点的基因芯片。因文库的构建可OO片上包含至少2O个内耳所特有的c探 DNAs针,以使生物的遗传信息以稳定的重组体形式贮存起otr S血比较内耳C i器、管纹和螺旋神经节中这些 来,对于分离克隆目的基因及复杂基因组作图且DN的结CAS表达差异,果显示在每种组织中均有 具有重要作用,基因芯片是构建基因文库的一而一这ePrea 描定数量的差异表达基因,些基因包括一些已 种重要技术。oplI述了一种用基因芯片技还并知功能基因和假设基因,有许多未知基因。且 术来产生小鼠COt器的表达序列标签数据库的r S i ir S个在Cot器中发现了4与耳聋基因座有关的差 方法。取、析了200独立的克隆 分成了提分00个OTOTOTMPSS。异表达基因:OA、OR、OS和TR3耳 89个独特的基因簇,认了一组Cot器所特60确r S i同蜗中基因表达的多样性充分说明听觉过程的产生 有的新基因。时还绘制了与人类遗传性聋具有听是数千个基因协同作用的结果。觉中枢能够根 共线性相关的小鼠Cot器序列表达标签。为r s i这即据内外环境的变化而发生适应性变化.具有一 绘制Cot器中与听力有关的基因表达谱提供了 sri听另Bil_s,定的可塑性.觉中枢的可塑性和基因表达的变 新的视角。外,e eL构建了一个成年小鼠内Hl_采3化有密切联系。ot 用基因芯片研究大鼠双侧 耳cA文库,此文库中从198独立克隆中DN在5 5个天2天耳聋后3、1下丘中神经传递相关基因的表达 获得了254序列,且通过比对人类和小鼠的27个并来结确变化.研究下丘听觉神经的可塑性。果显示有 同源染色体.定了与耳聋基因座判别区域有关 O8 超过10个基因具有差异表达,些基因有以前 的11个基因簇。4 0这报道过的与耳聋有关的基因,编码钙结合蛋白如4基因芯片在老年性聋研究中的应用也如的基因,有尚未报道过的,编码网格蛋白的基是老年性聋又称年龄相关性听力下降,一种从 9天因等。中选出1个基因进一步研究在聋后3、对常见的交流障碍性疾病。老年性聋分子机制的天0结研AB 研究涉及到基因组学的各个方面。究表明在老21和9天的基因表达变化,果显示编码GA— 、D。 的基因和编码离子型 年性聋的发病过程中,有很少一部分基因表达A受体亚单位p、Y只AAMP kiae的基 受基因型的影响.大部分基因的表达与年龄有谷氨酸受体亚单位AMP 、、A3ant2而它 因在测试的所有时间内.们的表达均是增加的。关 。氨酸盐在听觉系统中是一种主要的兴奋谷而甘氨酸受体 亚单位的基因表达先是降低,然 性神经递质,氨酸盐和谷氨酸盐相关基因随年谷 后增高:1亚单位的基因表达在聋后2天时明显 龄而发生的变化.能在老年性聋的发病机制中可a。 1增高;亚单位的基因表达在3~2天内是增加 起重要作用。a SrBTdO 研究了CA小鼠下丘中随年而0的,在聋后9天时则下降。5一羟色胺2C受体的 龄和听力变化而发生的谷氨酸盐相关基因表达B用CR8基因表达在所有时间内均是增加的 5一羟色胺5 变化。基因芯片和实时P技术研究了6个谷天2天受体的基因表达在3、1时是降低的.到了而其氨酸盐相关基因的表达。中有两个基因在两种0这PC基9天时则恢复到正常水平。些基因表达的变化 技术中均显示了一致性的改变:YS因随着年 说明下丘的听觉通路具有一定的可塑性。  基Ca龄而下调 Sl13因随着年龄和听力损伤而上PC在3基因芯片在耳聋候选基因筛查和耳聋基因 调。YS谷氨酸盐转变为脯氨酸的过程中起重数据库建立中的应用它要作用,的缺失可以导致听觉中枢中谷氨酸盐从新生儿听力筛查的普及和有关听力基因的确 的增加和脯氨酸的减少.而导致谷氨酸盐的毒SC1基a定 促进了聋病分子诊断的发展。对引起耳聋基 性以及脯氨酸神经保护作用减弱。I 3因表针Gaderr因的多样性以及耳聋遗传的异质性, n 开 达上调可能反映了针对谷氨酸盐毒性的细胞补偿9 个发了一种能够同时检测18突变的基因芯片, rFidn机制。 ema 也通过芯片研究提示编码促代个这个芯片包含有8常见的耳聋致病基因(BGJ2的R基谢性谷氨酸受体7GM7因可能通过改变谷氨GJB6 GJB3  GJA1SLC26A4 .SLC26A5, 酸盐兴奋性中毒的敏感性导致老年性聋的发生。   rNAR1SR tNA—S 。测试,芯片对于新生2re)经此hitne…用组BCrsesn 基因芯片研究了4不同年龄CAAq4)发儿听力筛查后的随访、大儿童和成人耳聋基因 小鼠中水通道蛋白4的基因(P表达情况。较同耳p检测是十分有效的,时也促进了耳聋患者医学 现随着年龄及听力的改变,蜗和下丘中Aq4的国i在p的干预及遗传咨询的发展。内L等 也开发了针对 基因表达具有明显的改变.耳蜗中Aq4表达71中国听力语言康复科学杂志总第3期 3综述ieeSinicoraoChns cetiJunlfaigadSec eaia1nfniot Her n pehRhbIt下调.在下丘中Aq4表达先下调,后上调。而p的然 而1 5K 4内.X3 Y突变蛋白泡状分布于胞质内,31T 这因此推测随着年龄的增加,p表达改变可能会 突变蛋白则分布于核周。种异常的分布可能导Aq4导致耳蜗毛细胞中离子梯度的改变,者影响下 致CR或从L因 ̄YMYM功能异常,而导致听力损失,ICR丘中神经递质的循环,而导致老年性聋的发生。很可能是导致非综合征性感音神经性聋的基因之从 另外Tdo【还研究了凋亡基因表达对于老年性a sr~ a  KJ用Dr LA3Asmua ,cNA芯片分析显示CO9基在 95聋的致病机理。析了31个凋亡相关基因.果 因在耳蜗中高度表达。1 个非综合征性感音分 8结发OLA3有3个基因表达具有明显差异.此认为凋亡基 神经性聋患者中,现两个可能致病的C9基5因G1一P  dI6  说明C9可887因的表达变化可能在内耳老龄化过程中起重要作 因突变: 113e和D1EOLA3用。 连能导致非综合征性耳聋。接蛋白在耳蜗功能中5基因芯片在噪声性聋研究中的应用连有重要作用,接蛋白基因突变可以导致一大部Ahd 6声创伤可以导致耳蜗炎症,症趋化因子与 分感音神经性聋。ma s比较了耳蜗中1种炎用D种白细胞的募集反应与此有关。onbn 用芯片 连接蛋白的表达水平,CNA芯片确定了4主rT aee2CX93和4。来研究噪声性损伤后耳蜗中趋化因子和粘附分子 要表达的连接蛋白CX6,2 CX0CX3其N2和X0推的mRA表达的上调情况 结果显示单核细胞趋化 中两个连接蛋白Cx6C3都属于p群,测它蛋白5(MCP一5)MCP、噬细胞炎性蛋白~11、1巨 3 们异源性的分子构成的缝隙连接的生物物理学特此(P1p)IAM一1表达增加。创伤后这些 性在耳蜗离子的动态平衡方面起重要作用。外 Ml 和C的声 u1 发AmDN突趋化因子和粘附分子表达的增加,明声创伤过 L6V垂qe.现线粒体DN(tA)变也可说在程中有多种基因参与其创伤修复过程。哺乳动 导致非综合征性耳聋。 物中.哚声导致永久性听力损失.之为永久强称7基因芯片在综合征性耳聋研究中的应用p nn hehI sl T.rrt性阈移(emaett sodhfPS)中等强尚综合征性耳聋是指除有遗传性聋外,伴有度的噪声导致暂时性阈移(eP   t sOd其他组织器官的病变。目前有多种综合征伴有听rrrtmOaYhehIhitTS)Co4sfT,。h”1比较了大鼠在噪声和非噪声条 力损害。h 合征是以色素性视网膜炎、音USe综r感件下的耳蜗RT噪 NA表达 发现PS声诱导许多即早 神经性聋伴或不伴前庭功能障碍为特征的疾病。如(—F基因的表达,编码转录因子的基因(COS, 个为目前已发现有8基因与该病有关。促进此病的GR1E  7NUR7/丁 和编码细胞因子的基因 R3)Crer在诊断, mes开发了一种基因分型芯片。此P/BG2,LFI1等。反TS声则下调 芯片上包含有28与Uh 关的序列突变的等(C3TO)相I和PT哚9个rse有这用 个se综7r生长激素的基因。些研究为哚声刺激后耳蜗的 位基因特异性寡核苷酸。30uh 合征的结分子反应提供了一个新的视角。Ox 用差异 病人来验证此芯片的有效性。果表明此芯片是Lma”显示法和DNA芯片法来研究鸡在噪声暴露后听觉~可se种比较实用且经济的筛查工具,以用作Uhr的可塑性。果显示在鸡的C I器中UEB因结r SotB3基HD综合征是一种常染色体显综合征初筛的工具。R而本感在噪声损伤部位的表达立刻升高,在未损伤部 性遗传疾病,病以甲状旁腺功能减退、音神经表ri s位的表达则不升高,明Cot器对于哚声损伤一aa性聋和肾脏异常为特征。般认为转录因子Gt3 有一定程度的可塑性。Aiirk 与本病的发生有关。  用基因芯片来检测胚6基因芯片在非综合征性耳聋研究中的应用 天aa一 小胎第95纯合子Gt3(/)鼠的基因表达来aa的结6个非综合征性耳聋即仅表现为单一感音神经性 情况,寻找Gt3靶基因。果发现21基因不基聋.伴随其他组织器官的临床症状。因芯片技 下调,时发现其中一个下调的基因是肿瘤抑制同Ab术在非综合征性耳聋研究中起重要作用。ea2,腮基因Db并且在胚胎中间区、弓和面一听神经用cDNA芯片分析人类耳蜗和前庭中的基因表Db下aa这嵴等处,a2调和Gt3的表达有部分重叠。发CRM只 达.现 晶体蛋白(Y)在内耳中有表达。b基t3 是第一次发现Da2因与Gaa突变的表型有关。 例9YM随后在12非综合征性耳聋患者中寻找CR Pn d合征是一种常染色体隐性遗传病。病rede综本在X3 5它的突变,羧基末端发现了两个突变: 1Y和 以耳聋 前庭水管扩大和甲状腺肿为特征,是由 1T。3L6基这K 4突变后的蛋白与正常蛋白相比在细胞内 SC2A4因突变所导致的,个基因编码~个正Jba的分布明显不同.常蛋白一般均匀分布于胞质 阴离子交换蛋白。ab 用芯片研究了血管纹中中。9期国听力语言康复科学杂志2O第6 eniiChiseScitfcJour—ne—nal ofHearnqandSpeechRehab…ttoni  ai综述结 及1天未见到基因表达的变化。果是生后10天 5【]gdie—Pr JBly,IetMe aGnt8oruzai,aa Cnrgsi s& tleeic但并血管纹的变性,在断奶后发生了变性,且提示 aas fpebcs yarepiretsn]AnCnLbSiysnlio rsuib rydrexei[ysa m noJ i  nla c,巨4巨噬细胞可能与此有关。噬细胞标记包括cd5088:5~620 55250.,Cd68Cd83LyzsLgaI3MsrCat,,,s, 2,hepsi BSns 、9ar F oz[]TdsS,DSuaM,ZtlM.ea.Guaaerleo e taet Lt1lmt—etd和K及补体成分(rCC4)达明显增加等C1.3、等表gnxrso cagsi aenhosuir mdriJ esn wheepeihnetg ieuedoyia[] t m atbnri Bs07.1 7: 9.Bane.201 21 这并且这种增加是血管纹所特有的。种现象说明1】FimnB,a e Le unmn.t B7 e M a[0rda AVnarLHetlaJelGM从巨噬细胞的浸润导致了血管纹的变性,而导致aitnrspii tg—raeai mamn[.Hma cf scbtll hnrJvrnsoeuetiyoaeetdergipiet]uede综 Pnrd合征的发生。lnt 09,17576.MoGee,20 8:8 9基耳综上所述,因芯片在耳聋基因筛查、聋基1]hies N oz M,Zu×e1Aerle se[1Crtnn,DSua aah t.g—etd耳因表达谱的绘制、聋基因组学以及各种耳聋疾ergo:qaoi gn epesnhne nh mos cclnsnhai lsaupr 4eexrsi cagsiteo eueoha尽病的研究中得到了广泛应用。管基因芯片还存n uirmda[tyJn]rngs20, 32-3.bi2adado  riJ.Ba e,0915:74 如制在一定的缺陷,芯片制作工艺复杂、作成本相[2ar S,DSua1】TdoF oz M,Zu,a.Aots—rae sh x 1pposetdil但基对较高,随着科学的发展,因芯片技术也将得ee hnehixrsi ignscag te epesnwt aen hai lsntemuerons hg adergo ih os其到发展和完善,在耳聋研究中应用的领域也会 cce[Aoti08I:63 2i]posohaJ53ps,20, I0—11并逐渐扩大,推动耳聋研究从基因诊断到基因功I】Trbn VSt [3oaeeS.aoE,hmLt1mueclrrietna aIlct  p ,e.mn eeumn从能及基因治疗等不断发展,而使耳聋研究进入 fli cuitam[.ergs20,2:1 14.lgoownaoscruaJHae,062215 t]   2一个新的阶段。 收稿日期20 0—10980责任编辑李原参考文献1cemt B J,acmM,ust Jnliadeys【]MDrotMrBuo JHdphA.Aas nucoavltnfehiersioeJi uo trlacp ]r Ntcdc fntnleaai oh a cltnrtm[.PoaIAaSiUA.20 14:12 1 2 cS07 801 0815.2oir[]MrsKA,Snr,PoeaC,ta.i Empi e 1ifrni xrsiDfeetlepesnaofee wiiteohaa dfndb acso mueie ero gnsheetnh ccl sei y utmnos nraioryJ scsoayg1rr】mcaa[.JAso Be Otlrno.2005 7—896:5 5o Atsk M,LmxAe a.Dansrle[】HlG,Aao-aoa C,t1efesetdlsitnh nei o uu:eexpesnrfi olncy oipati iteifrrclclsgn ersi poigflwiJolnogeoao epelcitJ.JNuoe20, 16—16 ir vyc50rmvlfprhaati[】 erhm,059:09 8.4ade Pia E,Mse A,e aSuaeut[]Grnr,Omaesrn mt tlilnosuteeittneetnnait ioo mlgn muai dtci iptnswt snoiuahai jSen hesrerfepgOnShog aoe dansicc&ry:anwapoc freonrtruh nvligot mioPa e praho nwbrcei oo—p]eirs06 :8—94rnlJai1 sengflwu[.Pdtc,20,18959.5j ca Q,Go,efCnrci o auix[】L,Pnu yt.osutnf mll alotepleei PEbsuiraryAPAnspli tl sfecdv a i ioalpciC-ae neslar(SU)adtapctnoaerglscenJuauai,20,2:56 .io rng] o 1han ssei[.HmnMttn0890—546opi,Hr ,eatvA,t.eepsnaeye a eei[]Pme culBBfnsa/e1Gnxrsorfe teuera Cri tenel o m o a o han[】poifhos ognfotth ostfeMgJ nmcs04.81001Geoi,200- 1j:017eeW,Sik,MrsA,elInfai os[】Bi]Khair Tior K at,dtitnfeiconu tasrt fo aos u-et,utatdnna cNqplnnuierncisrm muefllghsbrce ie erDAiayJeoi,20,8:0  3b】c 20lrr[.Gnms0451I—12.  [4hYGn W,KnkAe1oeoesmli1]Co,ogTcaii,t.Ni vriutn astaoncsmeiealgn nhrtcce[da ye el]rngsoBai  iiueimdter esit a ohaJBa eMlrnge,20s3 : - 04,10141548.1】oa Mlun L h Ye a.ieei dpyfnasa[5Lmx,Hag,Co t1Dfrtliln eers eai uirpscyd.ers00 aa tntyait gadgnry0xmeado lti[】Hae,20,472—0】.9552.1】Ae,Ktgi,Si-imno  [6bSaaiTaoHaitA,ea.Infair tsa eicot1dtitno CMsaadaeepnieo nnydo efestruhfBY a  cnit rsosldb frosnrmcJ dans.hogDAmcar nlboua oha n eturtseJ.Aray eias[cN ioryaas fhmncclradvsbl ius]mJu nt20577一8 HmGee,02:j21]A&u [7strK,AeSFkoa,e lMttnnlio&b ,uuk Htaaoys ui aasfOg eeilgyxrse ih oha eo CLA3,agn hh epesdnteccl ihai fS nnergOSptn[.ArNssLrn,20,3:1-17aitJes]usauayx052151i   [8hz ,Ce  SnJea.Cnei 6ad0r1]AmdShnSu ,t1onxs2 n ae  n 3 osbdtomgpucosneohao i[】fhm aee i  teeocsml ofr ajntnihccl fmcJ.Bceiy gsomup00326Bohse Cmn,203,57:6 58.1】[9L∈Veqe alr Sioad L  u M,M n,Jnr,e1Whl at.eoiohnr eo cenn na tralneido ydocytmtcodilgnmesreigimaenl ihre nnsnrmi ernmpin ui agrnhai iametsg mcota rsqecn mtcodilDNri&ryeeunigiohnraAciJBrJHmGnt07 :15 5.h[p]u u ee,20,114—1 5 5 1[OrmrF,KbrgWJ   ea.Dvlmno2】Cee Piei ,KnIM,t1eepetfsmlnm o  gntpgior os snrm[. e ee,07nc&a eJaeoyi mrtyfrUhrydoe】JMdGnt20,41- 564: 310.[1i ,KPrM,Kr ea.Gnepsoaas2】ArR rikies  ei ysaiA,t1eexrsnnlifaa 一i yui DAmrar enlyJi cencaco]foGt6/mcb sgcN iorythog[.LeSi,05.725—258.206:5962]Jba,eeA,Sg Re1Mcpaenai Sk[2abVOlih,t.arhg isnn aovocnrue t dgnrtnftiacli_ede snrm mueotits0eeeai o sr vsurnboaas PnrdydoeosoeJ.BCMd06:7[ mdl]M e,20,43.73中国听力语言康复科学杂志总第3期 3