《生物芯片發(fā)展及寡核苷酸基因芯片應(yīng)用研究》首先介紹了生物芯片的基本含義，之后對主要的幾類生物芯片——基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片、組織芯片和糖芯片等，就其發(fā)展歷史、分類、主要特點、制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)地講解和探討。通過應(yīng)用實例，介紹了寡核苷酸基因芯片的應(yīng)用。《生物芯片發(fā)展及寡核苷酸基因芯片應(yīng)用研究》注重理論聯(lián)系實際，力求文字簡練、通俗易懂。
生物學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的科研人員，相關(guān)專業(yè)高年級本科生、研究生
目錄
前言
第1章 生物芯片 1
1.1 生物 1
1.1.1 非生物與生物 1
1.1.2 生物的分界 1
1.1.3 生物的分類階元 3
1.1.4 生物的命名 3
1.1.5 生物的起源與進(jìn)化 4
1.1.6 生物的基本結(jié)構(gòu) 6
1.1.7 生命的物質(zhì)基礎(chǔ) 7
1.1.8 生物的遺傳變異 8
1.1.9 生物學(xué)及其分支學(xué)科 10
1.2 芯片 10
1.3 生物芯片的發(fā)展 11
1.3.1 生物芯片的概念 11
1.3.2 生物芯片的研究現(xiàn)狀 12
1.3.3 生物芯片的分類 15
1.3.4 生物芯片的特征 17
1.3.5 生物芯片的制備 17
1.3.6 生物芯片的應(yīng)用領(lǐng)域 18
第2章 基因芯片 21
2.1 核酸 21
2.1.1 核酸的研究歷史 21
2.1.2 核酸的化學(xué)成分 23
2.1.3 核酸的分子結(jié)構(gòu)及作用 25
2.1.4 核酸的主要性質(zhì) 31
2.2 基因芯片的發(fā)展 34
2.2.1 基因芯片概述 34
2.2.2 基因芯片的原理 35
2.2.3 基因芯片的分類 36
2.2.4 基因芯片的制備 37
2.2.5 基因芯片的應(yīng)用 41
2.2.6 基因芯片研究展望 44
第3章 蛋白質(zhì)芯片 45
3.1 蛋白質(zhì) 45
3.1.1 蛋白質(zhì)的含義 45
3.1.2 蛋白質(zhì)的元素組成及特征 46
3.1.3 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 46
3.1.4 蛋白質(zhì)的性質(zhì) 47
3.1.5 蛋白質(zhì)的生理功能 49
3.1.6 蛋白質(zhì)的分類 50
3.1.7 蛋白質(zhì)的活性 51
3.1.8 蛋白質(zhì)的研究歷史 52
3.1.9 蛋白質(zhì)的體內(nèi)和體外研究方法 52
3.1.10 蛋白質(zhì)組學(xué)研究 53
3.2 蛋白質(zhì)芯片的發(fā)展 54
3.2.1 蛋白質(zhì)芯片的原理 55
3.2.2 蛋白質(zhì)芯片的制備 55
3.2.3 蛋白質(zhì)芯片的分類 56
3.2.4 蛋白質(zhì)芯片的應(yīng)用 57
3.2.5 蛋白質(zhì)芯片的優(yōu)點 58
3.2.6 蛋白質(zhì)芯片研究展望 59
第4章 細(xì)胞芯片 60
4.1 細(xì)胞 60
4.1.1 細(xì)胞的研究歷史 60
4.1.2 細(xì)胞的結(jié)構(gòu) 61
4.1.3 細(xì)胞的大小與特征 65
4.1.4 細(xì)胞的種類 65
4.1.5 細(xì)胞的活動進(jìn)程 67
4.1.6 細(xì)胞的分裂方式 68
4.1.7 細(xì)胞的組成成分 70
4.2 細(xì)胞芯片的發(fā)展 72
4.2.1 細(xì)胞芯片的含義 72
4.2.2 細(xì)胞芯片的特征 72
4.2.3 細(xì)胞芯片的分類 73
4.2.4 細(xì)胞芯片研究展望 76
第5章 組織芯片 77
5.1 植物組織 77
5.1.1 植物組織的進(jìn)化 77
5.1.2 成熟組織 78
5.1.3 分生組織 86
5.1.4 植物組織的相互聯(lián)系 88
5.2 動物組織 89
5.2.1 上皮組織 89
5.2.2 結(jié)締組織 89
5.2.3 肌肉組織 89
5.2.4 神經(jīng)組織 90
5.3 組織芯片的發(fā)展 90
5.3.1 組織芯片的概念和特點 90
5.3.2 組織芯片的分類 91
5.3.3 組織芯片的優(yōu)點 91
5.3.4 組織芯片的制備 92
5.3.5 組織芯片的應(yīng)用 93
5.3.6 組織芯片研究展望 93
第6章 糖芯片 96
6.1 糖 96
6.1.1 糖類的概念和分類 96
6.1.2 單糖 97
6.1.3 低聚糖 99
6.1.4 多糖 101
6.1.5 糖復(fù)合物 105
6.1.6 糖的生物學(xué)功能 105
6.1.7 糖類的鑒定 105
6.2 糖芯片的發(fā)展 106
6.2.1 糖芯片的產(chǎn)生 106
6.2.2 糖芯片的原理 107
6.2.3 糖芯片的分類 107
6.2.4 糖芯片的應(yīng)用 109
6.2.5 糖芯片研究展望 112
第7章 芯片實驗室 113
7.1 芯片實驗室的研究歷史 113
7.2 芯片實驗室的研究現(xiàn)狀 114
7.3 芯片實驗室的組成 114
7.4 芯片實驗室的優(yōu)點 115
7.5 芯片實驗室的應(yīng)用 116
7.6 芯片實驗室研究展望 118
第8章 生物傳感器 120
8.1 傳感器 120
8.1.1 傳感器的主要功能 121
8.1.2 傳感器的常見種類 121
8.1.3 傳感器的分類 130
8.1.4 傳感器的特性 131
8.1.5 傳感器的選型原則 133
8.1.6 傳感器領(lǐng)域的常用術(shù)語 135
8.1.7 環(huán)境對傳感器的影響 136
8.1.8 傳感器技術(shù)產(chǎn)業(yè)特點 137
8.2 生物傳感器的發(fā)展 138
8.2.1 生物傳感器的結(jié)構(gòu) 138
8.2.2 生物傳感器的原理 138
8.2.3 生物傳感器的發(fā)展歷史 138
8.2.4 生物傳感器的優(yōu)點 139
8.2.5 生物傳感器的分類 139
8.2.6 生物傳感器的應(yīng)用 141
8.2.7 生物傳感器研究展望 145
第9章 應(yīng)用寡核苷酸基因芯片檢測水稻孕穗期不同器官的基因表達(dá) 147
9.1 引言 147
9.1.1 目的和意義 147
9.1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 148
9.2 材料和方法 149
9.2.1 實驗材料 149
9.2.2 技術(shù)路線 150
9.2.3 實驗方法 150
9.3 實驗結(jié)果 153
9.3.1 總RNA的提取與鑒定 153
9.3.2 總RNA反轉(zhuǎn)錄出cDNA 153
9.3.3 cDNA與芯片的雜交結(jié)果 154
9.4 討論 160
9.4.1 水稻不同器官總RNA的提取 160
9.4.2 總RNA反轉(zhuǎn)錄出Cy3-dUTP標(biāo)記的cDNA 160
9.4.3 影響基因芯片與標(biāo)記cDNA雜交的因素 161
9.4.4 水稻孕穗期不同器官中的基因表達(dá) 162
參考文獻(xiàn) 165
第1章 生物芯片
生物是自然界重要的組成部分之一，而芯片初是電子學(xué)中的概念。自然科學(xué)的發(fā)展，促使了生物芯片的誕生，并使其發(fā)揮著越來越重要的作用。
1.1 生物
生物是具有動能的生命體。生物與非生物相對，具有與非生物相異的特征。生物能對外界的刺激做出相應(yīng)反應(yīng)，并與外界環(huán)境相互依賴、相互促進(jìn)。
1.1.1 非生物與生物
自然界包括非生物和生物，它們有著各自的特征。
非生物的范疇非常廣泛，如光、溫度、水等。通過生物的特征，可以區(qū)別生物與非生物。歸納起來說，生物與非生物的本質(zhì)區(qū)別就是有無生命，凡是不具備生命特征的物體都屬于非生物。
生物，又稱生命體、有機(jī)體，是有生命的個體。其主要具有七大基本生命特征：具有嚴(yán)整有序的結(jié)構(gòu)，能進(jìn)行新陳代謝，能生長，具有應(yīng)激性，能生殖和發(fā)育，具有遺傳和變異的特性，能在一定程度上適應(yīng)環(huán)境并影響環(huán)境。
1.1.2 生物的分界
傳統(tǒng)的生物分類以界為級的分類單位。自然界研究過的生物種類有200余萬種。生物分界是把地球上的所有生物按照形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生理功能、分布、生態(tài)等特點，劃分成一個個比較接近的各種生物類型集體的過程。生物分界是一項不斷進(jìn)行的工作，隨著科學(xué)的發(fā)展而不斷深化。歷史上提出的主要生物分界系統(tǒng)如下。
1. 林奈的兩界系統(tǒng)
提出者：瑞典博物學(xué)家林奈(Linnaeus，1707—1778)。
兩界：植物界(kingdom plantae)、動物界(kingdom animalia)。
1735年，林奈出版了《自然系統(tǒng)》(Systema Naturae)一書。書中他以生物能否運動為標(biāo)準(zhǔn)，提出兩界系統(tǒng)，即植物界和動物界，將細(xì)菌、真菌等都?xì)w入植物界。按此兩界系統(tǒng)，植物界中約有50萬種植物，動物界中約有150萬種動物。至今，許多植物學(xué)和動物學(xué)教科書仍沿用該兩界系統(tǒng)。
2. 海克爾的三界系統(tǒng)
提出者：德國生物學(xué)家海克爾(Haeckel，1834—1919)。
三界：原生生物界(kingdom protista)、植物界、動物界。
19世紀(jì)前后，由于顯微鏡的發(fā)明和使用，人們發(fā)現(xiàn)許多單細(xì)胞生物是有動、植物兩種屬性的中間類型的生物，如裸藻、甲藻等，既可自養(yǎng)，也可異養(yǎng)生活。1866年，海克爾提出成立一個原生生物界，他把原核生物、原生動物、硅藻、黏菌和海綿等，分別從植物界和動物界中分出，共同歸入原生生物界。原生生物界和植物界、動物界組成三界系統(tǒng)。
3. 魏泰克的四界系統(tǒng)
提出者：魏泰克(Whittaker，1924—1980)。
四界：原生生物界、真菌界(kingdom fungi)、植物界、動物界。
1959年，魏泰克提出四界分界系統(tǒng)，將不含葉綠素的真核菌類從植物界中分出，建立了一個真菌界，真菌界和植物界一起并列于原生生物界之上。
4. 魏泰克的五界系統(tǒng)
提出者：魏泰克(Whittaker，1924—1980)。
五界：原核生物界(kingdom monera)、原生生物界、真菌界、植物界、動物界。
隨著電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌、藍(lán)藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)中無核膜、核仁及膜結(jié)構(gòu)形成的細(xì)胞器，從而與其他真核細(xì)胞生物有顯著區(qū)別，應(yīng)該另立為界。于是，1969年，魏泰克在其四界系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度及營養(yǎng)方式的不同，將細(xì)菌和藍(lán)藻從原生生物界中分出，建立了一個原核細(xì)胞結(jié)構(gòu)的原核生物界，從而組成了一個五界系統(tǒng)。
5. 王大耜的六界系統(tǒng)
提出者：王大耜(1923—2002)。
六界：原核生物界、原生生物界、真菌界、植物界、動物界、病毒界(archetista)。
六界系統(tǒng)由我國學(xué)者王大耜于1977年提出。在魏泰克五界系統(tǒng)之下加了一個病毒界，即原核生物界、原生生物界、真菌界、植物界、動物界，再加病毒界的六界系統(tǒng)。
6. 三總界六界系統(tǒng)
20世紀(jì)70年代，我國學(xué)者陳世驤及國外一些學(xué)者提出，把生物分為原核生物總界(內(nèi)含細(xì)菌界和藍(lán)藻界)、真核生物總界(內(nèi)含植物界、真菌界和動物界)和非細(xì)胞生物總界(內(nèi)含病毒界)。陳世驤等認(rèn)為，原五界分類系統(tǒng)把原生生物界列為一個中間階段，削弱了原核與真核兩個基本階段的對比性；在原核生物界和原生生物界內(nèi)，也沒有考慮生態(tài)關(guān)系，故提出更為完善的三總界六界系統(tǒng)。
7. 三原界系統(tǒng)
20世紀(jì)70年代末以來，分子生物學(xué)的發(fā)展對上述分界系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)，特別是rRNA 和rDNA的序列分析，為整個生物界系統(tǒng)發(fā)育的研究提供了大量的數(shù)據(jù)。分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)表明，整個生物界可以分為三個獨立起源的大類群，傳統(tǒng)的魏泰克五界系統(tǒng)并不代表生物的五個進(jìn)化譜系。伍斯(Woese)和伍夫(Wolfe)提出，原核生物在進(jìn)化上有兩個重要分支，應(yīng)將原核生物分為古細(xì)菌原界和真細(xì)菌原界，真核生物歸為一原界，遂提出了三原界系統(tǒng)，即把生物分為古細(xì)菌原界(內(nèi)含古細(xì)菌界，包括產(chǎn)甲烷細(xì)菌、嗜熱細(xì)菌和嗜鹽細(xì)菌)、真細(xì)菌原界(內(nèi)含真細(xì)菌界，包括細(xì)菌和藍(lán)藻)和真核生物原界(內(nèi)含原生生物界、真菌界、植物界和動物界)。
1.1.3 生物的分類階元
分類階元(taxonomic category)是生物分類學(xué)確定共性范圍的等級。現(xiàn)代生物分類采用的有界(kingdom)、門(division，phylum)、綱(class)、目(order)、科(family)、屬(genus)、種(species)等7個必要的階元。近緣的種歸合為屬，近緣的屬歸合為科，科隸屬于目，目隸屬于綱，綱隸屬于門，門隸屬于界。隨著研究的深入，生物分類層次不斷增加，單元上下可以附加次生單元，如總綱(超綱)、亞綱、次綱、總目(超目)、亞目、次目、總科(超科)、亞科等。此外，還可增設(shè)新的單元，如股、群、族、組等，其中常設(shè)的是族，介于亞科和屬之間。
1.1.4 生物的命名
生物的名稱中存在同物異名和同名異物現(xiàn)象，需要一個統(tǒng)一的命名方法。按國際命名法規(guī)，生物各級分類等級的學(xué)名，采用拉丁文字或拉丁化文字。屬和屬以上的名稱采用單名，即用一個拉丁詞命名，個字母大寫。種的名稱采用林奈創(chuàng)立的雙名法(binomial nomenclature)，即生物種的命名用兩個拉丁詞或拉丁化形式的詞構(gòu)成的方法。個詞為物種所在屬的屬名，用名詞，如果用其他文字或?qū)Ｓ忻~，則必須使其拉丁化，即將其詞尾轉(zhuǎn)化成拉丁文語法上的單數(shù)，格(主格)，書寫時屬名的個字母要大寫；第二個詞為種加詞，大多為形容詞，少數(shù)為名詞的所有格或同位名詞，書寫時均為小寫，如用兩個或多個詞組成的種加詞，則必須連寫或用連字符號連接。此外，還要求在種加詞之后寫上該生物命名人姓氏的縮寫，書寫時個字母也必須大寫。例如，小球藻的名稱為Chlorella vulgaris Beij.，個拉丁詞Chlorella為屬名(小球藻屬)，第二個拉丁詞vulgaris為種加詞，Beij.是命名人Beijerinck的縮寫，個字母也要大寫，在縮寫名后要加一個圓點"."。以前由林奈定名的生物，他的名字均縮寫為字母L.，如水稻Oryza sativa L.，但其他人名則不得縮寫為1個字母。中國命名人一律用漢語拼音名縮寫。每種生物只有1個合法的名稱，即用雙名法命的名，也稱學(xué)名(scientific name)。需要注意的是，中文名不能稱學(xué)名，它是由《中國植物志》或《孢子植物志》等著作根據(jù)拉丁名稱的含義確定的相對應(yīng)的中文名稱。由于雙名法比較科學(xué)，得到了各國植物學(xué)者的贊同，后經(jīng)國際植物學(xué)大會討論通過，并制定了統(tǒng)一的《國際植物命名規(guī)則》(International Code of Botanical Nomenclature)，每次國際植物學(xué)大會都對規(guī)則進(jìn)行修改和完善。
對于植物的亞種或變種則要用3個拉丁詞來命名，即屬名+種加詞+變種加詞。書寫時，要求在變種加詞之前寫上英文字變種variety的縮寫，var.是variety的縮寫。同樣，在變種加詞的后面寫上變種的命名人名縮寫。例如，白丁香是紫丁香的一個變種，其拉丁名稱為 Cyringa oblate Lindl. var. alba Rehd.，其中Lindl. 為紫丁香的命名人名的縮寫，Rehd.為變種命名人名的縮寫。這種用3個拉丁詞給植物命名的方法稱為三名法。
雙名法對植物學(xué)的發(fā)展具有極大的意義，它不僅可以消除植物命名中的混亂現(xiàn)象，還可大大推動國際交流。同時，雙名法也為查知所寫的植物在植物分類系統(tǒng)中的位置提供了方便。
屬和屬以下名稱，在印刷和書寫時，需用斜體字，屬以上名稱用正體字。為了便于查閱，在各級名稱之后，用正體字注以命名者的姓氏(應(yīng)為拉丁字母拼綴)和命名時的公歷年號，兩者間以逗點分隔。若命名者不止一人，人名間用拉丁連結(jié)詞et(和)連接。物種既是生物分類的基本單位，也是生物進(jìn)化的基本單位。生物進(jìn)化的實質(zhì)，就是物種的起源和演變。從生物學(xué)角度來講，物種的基本結(jié)構(gòu)是居群，而不是個體。
1.1.5 生物的起源與進(jìn)化
1. 生物的起源與進(jìn)化理論
關(guān)于生命的起源，歷史上曾經(jīng)有過種種假說：如"神創(chuàng)說"(認(rèn)為生命是由上帝或神創(chuàng)造的)、"自然發(fā)生說"(認(rèn)為生命，尤其是簡單生命是由無生命物質(zhì)自然發(fā)生的)等。這些假說多出于臆測，已被人們所否定。從近年召開的國際生命起源學(xué)術(shù)會議的研究論文看，當(dāng)代關(guān)于生命起源的假說可歸結(jié)為兩大類：一類是"化學(xué)進(jìn)化說"，另一類是"宇宙胚種說"。化學(xué)進(jìn)化說主張，生命起源于原始地球條件下從無機(jī)到有機(jī)、由簡單到復(fù)雜的一系列化學(xué)進(jìn)化過程；宇宙胚種說則認(rèn)為，地球上初的生命來自地球以外的宇宙空間，只是后來才在地球上發(fā)展了起來。
(1)化學(xué)進(jìn)化說。核酸和蛋白質(zhì)等生物分子是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，生命起源的關(guān)鍵就在于這些生命物質(zhì)的起源，即在沒有生命的原始地球上，由于自然的原因，非生命物質(zhì)通過化學(xué)作用，產(chǎn)生出多種有機(jī)物和生物分子。可以說，生命起源問題首先是原始有機(jī)物的起源與早期演化。化學(xué)進(jìn)化的作用是造就一類化學(xué)材料，這些化學(xué)材料構(gòu)成氨基酸、核苷酸等通用的"結(jié)構(gòu)單元"，蛋白質(zhì)和核酸等生命物質(zhì)就來自這些"結(jié)構(gòu)單元"的組合。1922年，生物化學(xué)家奧巴林個提出了一種可以驗證的假說：原始地球上的某些無機(jī)物，在閃電、太陽光等能量的作用下，變成了批有機(jī)分子。時隔31年之后的1953年，美國化學(xué)家米勒首次通過實驗驗證了奧巴林的這一假說。他模擬原始地球上的大氣成分，用氫、甲烷、氨和水蒸氣等，通過加熱和火花放電，合成了有機(jī)分子氨基酸。繼米勒之后，許多模擬原始地球條件的實驗，又合成出了其他組成生命體的重要生物分子，如嘌呤、嘧啶、核糖、脫氧核糖、核苷、核苷酸、脂肪酸、卟啉和脂質(zhì)等。1965年和1981年，我國在世界上首次人工合成胰島素和酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸。蛋白質(zhì)和核酸的形成是由無生命到有生命的轉(zhuǎn)折點。上述兩種生物分子人工合成的成功，開創(chuàng)了通過人工合成生命物質(zhì)去研究生命起源的新時代。一般說來，生命的化學(xué)進(jìn)化過程包括四個階段：從無機(jī)小分子生成有機(jī)小分子，從有機(jī)小分子形成有機(jī)大分子，從有機(jī)大分子組成能自我維持穩(wěn)定和發(fā)展的多分子體系，從多分子體系演變?yōu)樵忌?/p>
(2)宇宙胚種說。過去和現(xiàn)在，已經(jīng)提出了許多關(guān)于宇宙胚種說的假說。例如，在1993年7月第十次生命起源國際會議上，有學(xué)者提出，"造成化學(xué)反應(yīng)并導(dǎo)致生命產(chǎn)生的有機(jī)物，毫無疑問是與地球碰撞的彗星帶來的"，還有人推斷，同地球碰撞的其中一顆彗星帶著一個"生命的胚胎"，穿過宇宙，將其留在了剛剛誕生的地球之上，從而有了地球生命。曾經(jīng)有一位空間物理學(xué)家和一位天體物理學(xué)家也把地球生命的起源解釋為：地球生命之源可能來自40億年前墜入海洋的一顆或數(shù)顆彗星，他們也認(rèn)為是彗星提供了地球生命誕生需要的原材料(他們將之謂"類生命生物")。盡管有科學(xué)
