芯片可以将静态基因组和动态蛋白质组紧密联系在一起。因此，我们使用芯片来分析细胞中的mRNA，揭示蛋白质的表达模式；检测基因组 DNA 序列，发现缺失或突变的基因。

为了综合表征细胞活动，需要确定哪些蛋白质参与，以及蛋白质作用的部位及数量。通过测定相应 mRNA 的相对数量可以推测蛋白质表达模式。杂交是一种检测任意特定核酸序列存在的准确而又灵敏的方法。芯片通过同时进行许多杂交试验实现高通量的分析。

芯片的基本创新是并行处理过程

比较以下几种测量类型。

● “一对一”。通过一个寡核苷酸与一个互补序列的寡核苷酸杂交，来检测其特定的已知序列。

● “多对一”。为了检测混合物中某个寡核苷酸的存在或缺失，将混合物延展开，然后测试混合物的每一个成分与查询序列互补的寡核苷酸的结合。这是 Northern或 Southern 印记方法。

● “多对多”。检测混合物中多个寡核苷酸的存在或缺失，需要合成一系列与查询序列互补的寡核苷酸。通过与其结合来测试混合物中每一种成分。芯片提供了高效率、高通量的测试方法。

并行杂交分析时先将大量的 DNA 寡聚物附在坚硬支持物的已知位置上，形成一个规则的 2 维阵列。将其暴露于含荧光标签的待分析混合物中。混合物中的一些成分会结合到此阵列的某些元素上，并表现出荧光。因为阵列的每个位置寡核苷酸探针的序列是已知的，通过这些杂交探针位置，鉴定出样本混合物中存在的那些成分。

这种 DNA 芯片一般是 2cm ²大小的玻璃或尼龙的小薄片。寡核苷酸以正方形矩阵的形式连接在芯片上，密度大约为每平方厘米 10 000~250 000 个位置。探针点的直径只有 150μm。网格一般是几个平方厘米。一个酵母芯片包含了超过 6000个寡核苷酸，覆盖了所有已知的酿酒酵母基因。一个 DNA 阵列或 DNA 芯片，可能包含 400 000 个探针寡聚物。值得注意的是，这个数目比酵母基因总数大，甚至比更高级的生物 [ 不包括免疫球蛋白（immunoglobulin）基因 ] 的总数还大。芯片技术要求设置重复和对照，因此需要减少同时研究的基因数。然而，买到一张包含所有人类基因（当然不包括免疫球蛋白基因）的芯片是可能的。另外，一套覆盖整个人类基因组序列的“贴片”（tiling）芯片也可以买到。

在有助于杂交的条件下，将混合物暴露在芯片上进行分析，然后洗去剩余没有结合的寡核苷酸。为了对比不同来源的物质，会用不同颜色的荧光团（fl uorophore）标记样本。扫描芯片并以计算机可读的形式收集数据。

芯片在医学上的应用

抗生素耐药性细菌的发展

细菌耐药性的增加已经给疾病控制造成了危机。被人类广泛使用最有效的抗生素（antibiotic）之一是万古霉素（vancomycin），一种由婆罗洲土壤细菌东方拟无枝酸菌（Amycolatopsisorientalis）分离得到的 1.5kDa的糖肽类抗生素。1958 年葡萄糖球菌感染性菌株产生了青霉素抗性后，万古霉素第一次在临床使用。许多传染病治疗都会选择万古霉素。

万古霉素通过干扰细菌细胞壁的合成而起作用。革兰氏阳性菌的细胞壁由多聚糖和多肽组成。线性多糖是由交替的 N- 乙酰氨基葡萄糖（N-acetylglucosamine）和 N- 乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic）单元形成，与短肽 L- 丙氨酸 -D- 谷氨酰胺 -L-赖氨酸 -D- 丙氨酸 -D- 丙氨酸交联（cross-link）。万古霉素通过与寡多肽结合，阻断其交联。失去坚固的细胞壁，细菌便不能承受本身内部的渗透压。

金黄色葡萄糖球菌（Staphylococcus aureus）耐药菌株的产生是渐进的。耐万古霉素的肠球菌最初出现在 1977 年。20 年后，出现了对甲氧西林（methicillin）的耐受性。2002 年耐万古霉素的金黄色葡萄糖球菌（vancomycin-resistant S. aureus，VRSA）的菌株在欧洲和美国被发现。

万古霉素耐药性的发展——大事记

1941 年  青霉素 G 的第一次临床使用

1942 年  耐青霉素的金黄色葡萄球菌出现

20 世纪  50 年代多药耐药性（multidrug resistance）金黄色葡萄球菌广泛传播

1956 年  万古霉素的描述

1958 年  万古霉素第一次临床使用

1960 年  甲氧西林第一次临床使用

1961 年  耐甲氧西林金黄色葡萄球菌出现

20 世纪  60 年代耐甲氧西林金黄色葡萄球菌传播

20 世纪  70 年代耐甲氧西林金黄色葡萄球菌广泛传播

1988 年  耐万古霉素肠球菌出现

1992 年  高水平万古霉素耐药性向耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的实验室转移

1997 年  中等耐万古霉素金黄色葡萄球菌在临床上出现

2002 年  耐万古霉素金黄色葡萄球菌在临床上出现

耐药性是通过和临床有效剂量相关的最低抑制浓度（minimum inhibitoryconcentrati-on，MIC）的上升测定的。

饲养动物时阿伏霉素（avoparcin）的广泛使用也许帮助了万古霉素耐受性的传播。耐药性基因的同源基因在东方拟无枝酸菌中出现。动物饲料级的阿伏霉素中的细菌 DNA 污染包含耐药性基因簇相关序列，这一发现有力的证明由于阿伏霉素的使用引起了耐药性基因转移到细菌，然后又能被动物所吸收。最终这些基因进入到能感染人类的细菌。

金黄色葡萄球菌采用两种基本策略获得万古霉素抗性。这些方法可被认为是防御和攻击。两种方法都很有效，如果成功——对于细菌来说——能被定义为达到某种水平的耐药性，能够在对患者有不可承受的毒性的万古霉素剂量下存活。

防御方法是指，金黄色葡萄球菌通过一些结构的变化来达到中等程度的万古霉素耐药性（intermediate stage of vancomycinresistance，VISA），这些变化包括生长速率的降低、细胞壁交联程度的减少、细胞壁厚度的增强及多肽中 D- 谷氨酰胺被D- 谷氨酸代替。VISA表型相关的基因变化可以被万古霉素的选择积累扩大，产生 MIC=32μ g/ml 的耐受性（VRSA）菌株。细菌的另一种耐药性机制是对万古霉素的反击行为，“拔掉它的刺”。金黄色葡萄糖球菌从耐药性的肠球菌中获得一种特殊的质粒使其对高水平的万古霉素耐受。该质粒包含了一系列基因，能引起交联的五肽 C 端的 D- 丙氨酸 -D- 丙氨酸变成 D- 丙氨酸 -D- 乳酸。修饰后的多肽能够进入细胞壁，但与万古霉素的结合亲和力较低，亲和因子约 1000。

Mongodin 等比较了 VISA 菌株（MIC 约为 8μ g/ml）和 VRSA 菌株的基因表达模式，后者是通过选择产生但不包含抗性质粒。芯片包含了2688个寡核苷酸。实验是平行进行的，由两株不同的临床 VISA 分离株开始。随着万古霉素耐药性的提高，35 个基因一致地出现表达上调，一些基因的增长倍数高达 30 倍，而另外的 16 个基因一致地出现表达下调。

随着万古霉素耐药性提高而上调的基因的相关功能：

● 嘌呤的生物合成，这是表达变化的主要部分：35个上调基因中有15个参与嘌呤的合成或运输，而且嘌呤生物合成操纵子的调节基因中有一个突变；

● 细胞膜的合成、重建和降解；

● 参与氨基酸、多肽和胺类、核酸成分（嘌呤）运输和结合的蛋白质；

● 合成葡萄球菌金黄色素，这种橙色类胡萝卜素（carotenoid）使S.aureus菌呈金黄色；

● 叶酸的合成；

● 未知的功能。

随着万古霉素抗性提高而下调的基因的相关功能：

● 能量代谢；

● 细胞膜生物合成；

● 参与碳水化合物、有机醇和酸的运输和结合；

● 核酸成分的补救；

● 调节功能；

● 四环素抗性。

把包含许多代谢子系统的表达模式微细变化信息组合在一起并不容易。然而其变化可以保护抗生素的靶点，细胞壁，正如 Mongodin 等所表明的那样，多个表达水平变化结合到漏斗代谢物，形成 ATP，这些变化包括编码蛋白基因下调，ATP 转换成相应的脱氧核苷三磷酸，DNA 合成（nrdD）和 AMP（deoD）的降解。糖酵解和发酵关键酶下调，6- 磷酸葡萄糖通过磷酸戊糖途径形成 ATP 的核糖成分。

加厚细胞壁的合成过程非常消耗能量。耐万古霉素的细胞中细胞壁体积与细胞总体积的比值上升了 41% 。也许降低的细胞生长率可以使更多能量用于细胞壁合成。

儿童白血病

造血干细胞是所有类型血液细胞的未分化前体。它们通过淋巴结或骨髓两种途径进行分化成熟。免疫系统的 B 细胞和 T 细胞是通过淋巴结途径；红细胞是通过骨髓（myeloid）途径。异常的遗传转化会引起血液细胞的不规则复制，在分化的任一阶段，导致白血病（leukaemia）患病率增加。白血病可以根据增殖的细胞类型进行分类。

急性淋巴细胞白血病是儿童最常见的癌症，几乎占患者的 1/3。传统的治疗方法是化疗，其成功率在过去的 25 年里大幅度提高。然而，约 25% 的患者治疗不成功。

基因表达模式的测定有助于疾病亚型的分子分类，以及阐明化疗应答和快速或延迟复发或长期存活之间的相关性。

一组 50 个基因的表达模式，结合流式细胞仪，几乎可以完美地区别淋巴细胞和骨髓细胞型白血病，以及区分 B 淋巴细胞和 T 淋巴细胞白血病。急性淋巴细胞白血病的表达模式变异程度明显高于其他类型的癌症。由此可见，检测儿童白血病的分子分类方法是可行的。

表达模式可以预测治疗成功的概率、缓解后复发的概率，以及继发性肿瘤形成等多个问题。这种预测仍存在很多复杂因素，如样本取自经历不同治疗的患者。

临床试验显示，第一次缓解的时间间隔是长期生存较好的预测指标。对早期复发和晚期复发的患者中差异表达水平的检测，即缓解时间长度相关的基因表达模式，可以提高诊断的准确性。识别基因参与的途径，能阐明疾病进程的生物学机制。参与细胞增殖和 DNA 修复的基因通常在早期复发组中出现表达上调。

任何与白血病明显不相关的第二种癌症的发生，是急性淋巴细胞白血病常见并发症。最常见的继发性恶性肿瘤是脑癌。已经识别出几个表达模式与继发性脑癌相关的基因。

● 表达模式可以预测治疗的有效性并指导治疗方法的选择。例如，某个研究案例使用14500个探针组和173个患者样本，识别出能区分对4种药物：泼尼松龙（prednisolone）、长春新碱（vincristine）、天冬酰胺酶（asparaginase）和柔红霉素（daunorubicin）的耐受性和敏感性的一些20~40个基因子集，揭示了药物的活性涉及一些不同的还有一些共同的途径。发现所有4种药物抗性与一个包含45个基因的子集相关。这些基因的大部分参与了转录、DNA修复、细胞周期维护和核酸代谢。这些结果在指导治疗方面具有临床作用，即使仅仅作为经验。

● 疾病特定基因的鉴定可以为药物研发提供靶点。例如，急性淋巴细胞白血病的一个类型与受体酪氨酸激酶的基因FLT3的过表达相关。此类患者体内具有持续活性受体，治疗困难，FLT3抑制剂现处于临床试验阶段。

因此，表达模式允许根据具体的疾病和亚型及患者进行药物治疗定制。

本文由安静摘编自[美]A.M.莱斯克著，薛庆中、胡松年等译《基因组学概论》（第二版）第四章，内容有删减。

978-7-03-046345-6

《基因组学概论》（第二版）的内容框架设计独具匠心，作者把基因组比拟为生物学研究的集线器。由此分层次介绍了 DNA、蛋白质序列和结构、基因组、蛋白质组、转录组和系统生物学内容，也分别对原核生物、真核生物、人类基因组结构和特性进行了介绍和比较，并将基因组变化和进化联系起来。

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