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单核苷酸多态性芯片的技术特点与应用领域

来源:《遗传病分子基础》  作者: 曾溢滔  日期:2020-08-05

  SNP芯片是一种高通量SNP检测方法,其原理是将大量探针分子固定于支持物上后,与标记的样品分子进行杂交。通过检测每个探针分子的杂交信号强度,获取样品分子的数量和序列信息。然后,与对照数据库进行比较,以鉴定待测样本是否存在基因组的突度、缺失和重复。正常参考数据一般由芯片生产厂家提供,也可由实验室自行生成。与传统的仪器检测方法相比,SNP芯片具有高通量、微型化、自动化、防污染等特点。

  不仅能够进行SNP分型,还可以检测拷贝数变异(copy number variation, CNV)和杂合性丢失(lossofheterozygosity,LOH),可用于致病基因定位、易感基因定位、临床诊断和药物基因组学等领域。由于性价比的原因,SNP芯片适用于高通量多SNP位点的并行检测,不适宜于针对少数SNP位点的检测。

  目前,商业化的SNP芯片基本能够覆盖所有已发现的人类SNP位点。主要的SNP芯片生产公司有美国的Affymetrix. Ilumina等。以llumina SNP芯片为例,其大致流程如图1所示。

SNP芯片操作流程

图1 SNP芯片操作流程

  1、技术特点

  SNP芯片的技术平台包括微球微点阵、纤维薄膜微点、玻璃片基微点阵芯片等,其单芯片探针密度检测范围从几百至上百万个SNP位点不等。SNP芯片分子探针必须与已知的SNP序列互补,一般根据全世界公认的HapMap数据库中已经公布的TagSNP设计。

  成熟的SNP芯片设计具有高重复性和特异性、超高通量的密度以及准确性。相比以往的技术只能同时检测几十至上百个位点,SNP芯片由于其高通量和覆盖全基因组范围,极大地缩短了实验时间,提高了效率,同时也具有较高的性价比。

  2、应用领域

  大规模、高通量SNP芯片检测首先广泛应用于群体结构的遗传学研究,尤其是在大规模人群的关联性分析中取得了较大成果。在其他动物研究中,商业化的SNP芯片也已被应用于一些家畜全基因组关联分析、QTL定位、候选基因筛选。在植物方面,科学家Clark等利用高通量SNP芯片技术,对模式植物拟南芥不同品系进行了多态性研究。

  目前SNP芯片技术在小麦、高粱、大豆及玉米的遗传与育种领域已经得到广泛应用,为遗传多样性的研究、连锁图谱的构建、标记与性状之间的关联分析、数量性状定位及分子标记辅助选择等提供了必要的技术平台。

  在由多基因改变引起的复杂性疾病病因及发病机制研究中,SNP芯片已经成为一个重要的分析技术平台。例如,对于高外显度的遗传性肿瘤或肿瘤相关遗传综合征易感基因的定位与克隆,Schaid等对167个前列腺癌家系的467个男性个体用SNP芯片进行基因分型连锁分析,发现了一系列LOD值高于2.0的染色体区域,并再次证实,利用全基因组高密度SNP位点进行连锁分析时可以显着提高连锁分析信息量。

  对于采用基于核心家系或者“病例-对照”设计的恶性肿瘤易感基因的定位克隆,由于肿瘤等常见疾病往往是多基因疾病,其发病可能与多个微效基因有关,从全基因组水平同时进行成千上万个SNP位点的关联分析,得到的信息将更全面有效。

  如Hu等利用Affymetrix公司的芯片对50个食道鳞状细胞癌患者和50例匹配的对照人群进行关联分析,采用广义线性模型,在隐性遗传模式下发现了37个SNP位点与食道癌发病相关。采用SNP芯片技术进行全基因组关联分析,提供了后基因组时代多基因复杂疾病研究的良好范例。

  目前大部分基因芯片的应用仍仅限于科研领域,然而由于SNP基因芯片技术较为成熟,一些产品已经率先应用到临床诊断中。2004 年和2008年,Affymetrix公司的3000 Dx系统分别通过美国FDA和欧盟CE认证,首先被批准用于体外诊断,2011年,该系统的第二代又获得了中国SFDA的批准,进入国内临床诊断市场。其产品被广泛应用于遗传病筛查、肿瘤突变、药物反应和新生儿体质异常的筛查。

  案例1:新生儿体质异常筛查。2011 年,美国医学遗传学学院(American College of Medical Genetics, ACMG)在指南中指出芯片已经成为检测新生儿体质异常的首选方法。上海儿童医学中心的余永国医生等曾遇到--例患者,7岁的女孩因为不明原因智力落后发育迟缓,经过染色体检查、核磁共振、串联质谱等检查未见异常,随后尝试使用Affymetrix的Cytoscan芯片进行检测,最终发现患者患1p36缺失综合征。

  案例2:药物反应表型和药物代谢酶以及转运蛋白基因型密切相关。Affymetrix公司与几大药厂联合,开发了针对药物代谢遗传学检测的DMET系列芯片,覆盖所有FDA评估的药物代谢基因标记,以及PharnaADME组织所确认的90%以上ADME核心标记。该芯片主要应用于临床药物研究实验。大约30%的候选药物因药物代谢动力不佳和毒性在开发阶段失败,这些受到药物代谢基因和转运基因变异的强烈影响。通过芯片扫描,可以发现由药物遗传学关联所产生的新型标志物以及相关代谢通路。

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