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基因芯片大攻略
基
因芯片按应用领域主要分以下几类，用于基因组研究的
SNP
和
CNV
芯片；用于
mRNA
表
达研究的基因表达谱芯片；用于转录调控研究的
microRNA
芯片和
LncRNA
芯片；以及用于
表观遗传研究的
DNA
甲基化芯片。目前世界上主流的芯片制造商主要有
4
几家，分别
是采
用第二代基因芯片技术的美国
affymetrix
公司、美国
agilent
公司和
ROCH
nimblegen
公司，
以及采用第三代基因芯片技术的美国
illumina
公司。
在
SNP
芯片研究领域，美国
illumina
公司毫无疑问是霸主，
illumina
公司凭借自
己开发的
GoldenGate
技术和
infinium
专利技术一直在
SNP
芯片领域处于垄断地位。
虽然
affymetrix
公
司也有
SNP
芯片，
但无论是从芯片的技术水平、
发表的文章数量和芯片的种类以及
覆盖
SNP
位点的数量都没法和
ill
umina
相比，已发表的
GWAS
文
章
90%
以上都是使用
illumina
的
SNP
芯片。至今
affymetrix
只有人的
SNP5.0
、
SNP6.0
、<
/p>
Axiom
这
3
款芯片，种类少得可怜，而且
覆盖位点数量最多的
SNP6.0
芯片仅可检测
90
万个
SNP
位点，并且是
2007
年上市的。随着
Hapmap
计划和千人基因组计划如火如荼的
进行，
illumina
公司每年都会发布好几款新的
SNP
芯片，至今已有几十款产品，覆盖位点数量从
6000
个到
500
万个不等。包
括人、大鼠、小
鼠、牛、马、羊、猪、犬、鸡、玉米、苹果、桃子等十来个物种，其中仅
人的
SNP
芯片就
有十几款（停产的芯
片不算）
，最多覆盖位点数量可达到
500
万个。并且
illumina
还可以提
供灵活快捷的定制
SNP
芯片，适用于大样本量分析。
Illumina
和
affymetrix
的
SNP
芯片都可
用于
CNV
分析，但
illumi
na
芯片因覆盖位点数量较多，所以在
CNV
< br>分析中可提供更高分辨
率的
CNV
数据。
在基因表达谱芯片领域，
affymetrix
表达谱芯片无论是从知名度、发表的文章
数量、芯片物
种种类都是
NO.1
，<
/p>
因
affymetrix
的表达谱芯片上
市时间最早，
所以知名度和用户也是最多的，
价格也是最贵的。
但
affymetrix
表达谱芯片也
有两个致命的缺陷，
第一是探针太短，
只有
25
个碱基，
直接导致芯片检测的灵敏度太低，
不利于检测低丰度的转录本。
为了保证灵敏度和
特
异性的最佳平衡，除了
affymetrix
外，其他各大芯片
制造商的芯片探针长度都是在
60-80
个碱基范围。只有
affymetrix
因芯片技术水平较落后，没办法合成长度更长
的探针。还有一
个缺点是芯片使用的数据库版本太旧，
affy
metrix
的人全基因组表达谱芯片（
U133
plus2.0
）
使用的数据库是
2001
年的
UniGene(Build
133)
，至今已十多年的时间了，芯片从未更新过。
< br>可能是因为
affymetrix
的表达谱芯片种类太多
，如果全部更新数据库，投入的费用和工作量
太大。在基因表达谱芯片领域，
agilent
公司和
illumina
公司的产品也非常不错，虽然知名度
没有
aff
ymetrix
的高，但他们也有各自的特点。
Agilent
的表达谱芯片种类也非常丰富，最新
G3
版全基因组表达谱芯片有一个创新点就是芯片不仅可检测
41000
< br>个转录本，还可检测
7,419
条
lncRNA
（长链非编码
RNA
）
。但
Agilent
的表达谱芯片也有
一个较大的缺点，就是芯
片重复性较低，因
agilent
的全基因组表达谱芯片采用的是
8*60K
的规格，每个样本只有
6
万个点来检测，平均一个转录本只有一
个点，芯片内部没有技术重复，所以
agilent
的全基
因组表达谱芯片的重复性在所有的芯片中是最差的。
Illumin
a
的基因表达谱芯片采用的是更
先进，密度更高的第三代基因芯
片技术，因此
illumina
的全基因组表达谱芯片是目前唯
一一
种可以达到探针
30
倍重复的表达
谱芯片，其他的芯片都只能达到
1-8
倍技术重复。因此
illumina
的全基因组表达谱芯片的重复性是所有芯片中最高的
，其重复性
R2
＞
0.996
，并且
基于第三代基因芯片独特的微珠芯片生产工艺，
< br>芯片生产成本较低，
信噪比和灵敏度都非常
高，
其灵敏度≤
1:250,000
，
芯片检测结果和
qPCR
相关系数
< br>R2=0.97
。
但缺点是
il
lumina
的基
因表达谱芯片只有人、大鼠、小鼠这三个物种
，
illumina
的表达谱芯片因物种种类较少所以
芯片升级比较快，目前已升级到
V4
版。
Nimblegen
公司也有基因表达谱芯片，
nimblegen
的
表达谱芯片知名度、用户和文章是最少
的，
这也是
nimblegen
的基因
表达谱芯片不被大家认
可的原因，但是
nimblegen
的表达谱芯片也有自己的特点，在原核生物里，
nimblegen
表达
谱芯片的物种种类是最丰富的。还有一点需要说明，
nimblegen
每个物种的表达谱芯片都有
72K
、
135K
、
385K
这
3
种规格，不同规
格的芯片的效果和价格相差很大，所以大家在选用之
前一点要搞清楚，千万别让奸商给忽
悠了。总之，
在基因表达谱芯片领域，
因表达谱芯片采
用的是直接杂交技术，
技术门槛较低，
所有的芯
片制造商都可生产，
各个厂家的芯片效果差
别也不是很大，
affymetrix
表达谱芯片的服务价格在
5000
左右；
agilent
表
达谱芯片的服务价
格在
4500
左右；
illumina
表达谱芯片的服务价格在
3800
左右；
nimblegen
表达谱芯片的服
务价格在
2500-5000
之间；价格最贵并不代表最好，价格最低也不代表最差，主要还是要看
自己的实
际情况，
选择最适合自己实验研究的芯片。
随着高通量测序技术
被越来越多的用户
所认可，
表达谱测序技术
（
RNA-seq
）
取代表达谱芯
片是大势所趋，
因为表达谱芯片和
RNA-seq
想比较，
除了价格便宜外，没有任何技术优势。毕竟
RNA-seq
的技术优势非常明显：
更高的
< br>数据通量、
更高的灵敏度和准确度、
更丰富的生物信息学
分析、
不受数据库和物种的限制以
及可获得
mRNA
完整序列等等。
在
DNA
甲基化芯片领域，
主要分为两类，
一类是基于
MeDIP
技术的甲基化芯片，
如
nimblegen
公司和
agilent
公司；另一类是基于
Bisulfite
conversion
技术的单碱基分辨率的甲基化芯片，
如
illumina
公司。在基于
Bisulfite
conv
ersion
技术的甲基化芯片出来之前，大家都使用的是
ni
mblegen
和
agilent
的甲
基化芯片，虽然这种芯片效果很差，如：不能精确定量、无法提供
单碱基分辨率、有区域
偏向、假阴性和假阳性较高、需要高达
10ug
的
DNA
、价格高昂等。
但因没有更好的选择，大家都
只能用这类芯片。自从
2009
年
il
lumina
推出了世界上首款基
于
B
isulfite conversion
技术的全基因组甲基化芯片
< br>（
Human Methylation 27K BeadChip
）
，
才改
变了这一现状，
Human Methylation 27K BeadChip
可检测人全基因组
2.7
万个甲基化位点，
这
是世界上第一款可提供单碱基分辨率，
并可精确定量
的甲基化芯片，
当时表观遗传学领域引
起了巨大反响，大量文章
层出不穷。仅过了一年，
2010
年
i
llumina
公司又推出了
27K
芯
片
的升级版——
Human Methylation
450K BeadChip
，
450K
芯片可检测人全基因组
48
万个甲基
化位点，广泛应用于干细胞研究、肿瘤和其他疾病研究，是唯一一款适合
EWAS
（表观基因
组全关联分析）研究的全基因组
D
NA
甲基化芯片。每张芯片多达
900
万个点（
9M
）
，以极
高的密度覆盖了
99%
的
Re
fSeq
基因和
96%
的
CpG
岛，包括启动子区、
5
’
UTR
区、第一外显
子区、
gene
body
区、
3
’
UTR
区、基因间区域以及<
/p>
CpG
岛外低密度分布的
CpG
位点。此外
该芯片还额外添加了一些高价值的信息，
如：
已经鉴定的在不同类型的肿瘤组织相对于其正
常组织有
差异的甲基化位点；
人干细胞中已经鉴定的非
CpG
的甲基化位点
（如
CpA
，
CpT
）
；
通过
GWAS
研究鉴定出的与疾病相关的区域；
miRNA
基因的启动子区；
编码区外的
CpG
岛；
FANTOM 4
启动子区；
DNase
酶高敏感的位点；
450K
全基因组甲基化芯片每个探针都有
15-25
倍重复，
所以芯片重复性高达
98%
以上，
和全基因组甲基化
Bisulfite
测序的相关性
R2=0.96
，
探针假阳性率低于
1%
。每个样本只需要
500ng
的基因组
DNA
，适用于石蜡包埋组织和福尔
马林保存样本。
最重要的
是，
该芯片的成本是
nimblegen 2.1M
甲基化芯片的四分之一左右，
市场服务价格不到
7
000
元，
芯片采用
12
个反应包装。
另外
illumina
公司还可以提供任意
96
个位点和
384
个位点的定制甲基化芯片，
不受物种限制，
适用于大样本量研究。
自从
illumina<
/p>
推出单碱基分辨率的甲基化芯片以来，
nimblegen
公司和
agilent
公司的甲基化芯片因没
有任
何技术优势以及成本高昂，渐渐退出了市场。同时要提醒一下，
nimblegen
公司的甲基化芯
片有
< br>385K
、
2.1M
等多种规格
，价格相差数倍，大家选用之前一定要搽亮眼睛。另外，
2012
年
6
月
nimblegen
公司正式宣布退出基因芯片市场。
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