人类基因组序列草图包含的大量信息也许会给人留下深刻的印象，但是如果不进行分析整理，这些信息只能保留在原始状态一堆数据而已。基因功能是研究人员想从基因序列中提取出的一种关键要点，而DNA微阵列正是可供他们使用的最重要的工具之一。

在过去的几年中，微阵列领域取得了令人瞩目的飞速进展，技术产品价格的下降使生物学家可以舍弃自制的实验装备而采用市场上范围广阔的商品化设备。

“医学正在较大程度地迈向分子水平，微阵列正在被用来探查从孤独症和精神分裂症到阿尔茨海默病和帕金森症的每一种疾病。”国际TeleChem公司的访问学者马克 · 塞纳（Mark Schena）说（国际TeleChem公司位于美国加利福尼亚州太阳谷，出售微阵列试剂和阵列自动装置部件）。

微阵列利用了互补单链核酸序列的择优结合作用。所有微阵列——不管它们是如何制备的，都具有相同的基本原理——由未知样品杂交成序列已知的固定DNA分子的有序阵列。每一个阵列都载有成千上万个DNA探针序列，这些DNA探针排列在位于玻璃或硅支承物上的界线分明的基质中。与普通的核酸杂交法不同，微阵列可同时鉴别出成千上万的基因，这意味着可进行大规模的基因分析。

这使研究人员分析细胞和组织中基因表达的方法发生了革命性变化。微阵列（也被称作DNA阵列、DNA芯片、生物芯片或基因芯片）使研究人员可决定让哪些基因在特定的时间和条件下在给定的类型的细胞中进行表达。它们可被用来比较两种细胞类型或组织样品的基因表达，例如健康组织与生病组织的比较；另外，它们还可被用来检查细胞周期或胚胎发育期间的不同阶段中基因表达的变化。

微阵列还正在被用于比较基因杂交研究中，基因杂交是一种分子细胞遗传法，可用于全基因组染色体删减及扩增探测，也可用于研究基因中存在的差异基因型个体，例如单核苷酸的多态性——人类的疾病可能就与单核苷酸的多态性有关。

在基本的层次上，通过与已知基因的表达方式进行对比，人们正试图用微阵列把可能的功能分配给新发现的基因，以鉴别信号过程的关键参与者，并发现新类型的基因。

但微阵列的作用并不只限于基础生物学，它们还在治疗药物的新对象的确定、疾病诊断、毒素形成以及个体对诸如药品和污染物质等环境因素的反应的基因原理的研究中得以应用。

图为基因表达的微阵列图

阵点规格

对于微阵列来说，最常采用的基质是玻璃（虽然它们也可由硅等其他材料制成）。基质上排布着处于互补DNA或寡核苷酸形式的成千上万的单链DNA探针阵点，这些阵点是由利用接触或非接触印刷法工作的自动列阵器排布而成的。

另一方面，可通过把每个阵列核苷酸一个一个地组合起来并利用喷墨打印或与半导体工业中相类似的光刻法就地合成寡核苷酸。

一般来说，阵点的直径一般小于200微米，需要用专门的成像设备——共焦激光扫描仪来制备。而“宏观阵列”上阵点的尺寸大约为300微米或更大，可利用普通凝胶和缺陷扫描仪成像。接触印刷和喷墨打印法制备的阵点的直径一般为100微米，而用光刻技术制备的阵点的直径大约为20微米，这可制成点密度分别为每平方厘米10000个点和250000个点的微阵列。

工业生产前景展望

位于美国加利福尼亚州圣克拉拉的Affymetrix公司是最早的商用微阵列公司，目前它仍主宰着高密度微阵列市场。该公司利用的是通过它自己的专利技术就地合成的25-基寡核苷酸，这项专利技术把固相化学合成与光刻技术结合起来。它的基因芯片，即Affymetrix公司的招牌——两个包含超过100万个不同寡核苷酸的人类U133基因组徽阵列，可提供多于33000个具有良好特性的人类基因。

但是，近年来微阵列工业出现了波动。去年美国加利福尼亚州帕洛阿尔托的Incyte基因公司——家最主要的微阵列供应商放弃了基因芯片制造业务，而决定把它的力量重新集中在它的核心——信息业务上。通过与微阵列制造商进行战略上的合作，Incyte公司允许这些微阵列制造商使用它的广泛的数据库和专利文献，Incyte公司希望从微阵列的销售中获益而不是去制造它们。

摩托罗拉公司的子公司——摩托罗拉生命科技公司，去年夏天推出了它的第一批微阵列产品——用于基因表达描绘和单核苷酸多态性基因型的编码连接生物阵列系统，包括现用的阵列、最适宜的试剂以及拍摄图像并对阵列进行初级分析的软件。它的实验室有自己的扫描仪可供利用。该公司出售人类和大鼠的基因阵列，每种阵列相当于1000个全长度基因序列，此外，该公司还希望于下个月推出老鼠基因阵列。它的基因型阵列包含来自于P450细胞色素族的72单核昔酸多态性。摩托罗拉公司很赞赏Incyte公司允许它利用其公司内容广泛的基因数据库开发微阵列。

而在另一方面，Agilent技术公司利用可靠的专利喷墨打印技术并提供人类、老鼠和大鼠的互补DNA阵列和常规寡核苷酸阵列。在后一种情况下，寡核苷酸（25-基或60-基）被就地合成，同时在标准的1×3英寸玻璃片上生成一个基阵，产生具有8400或22000个阵点的阵列。负责Agilent技术公司DNA微阵列项目的化学与分子生物学研究的研发部经理道格 · 埃莫斯（Doug Amorese）说，当需要大量相同的阵列时，互补DNA型微阵列是有用的；而就地合成的系统具有设计上的灵活性，可满足不同的需要。

作为Hewlett-Packard公司的子公司，Agilent技术公司可以使用喷墨打印法中的很多技术和许多高精度分析手段——主要有液体色层分析法和质谱测定法。因此埃莫斯说，Agilent技术公司似乎非常适合开展微阵列领域的工作。他还说，Hewlett-Packard公司一直在寻机进军分子生物学领域，微阵列似乎是一个正在发展的有希望的方向。

Agilent公司认为，它与英国牛津基因技术公司签订的互换使用对方产品的合同是其开展工作的关键。牛津基因技术公司是由埃德温 · 萨瑟恩（Edwin Southern）和牛津大学共同创办的，其目的是为使萨瑟恩的DNA微阵列专利商品化。Agilent公司的其他主要合作者有位于美国华盛顿州科克兰的Rosetta Inpharmatics公司和Incyte基因公司。

小商家与大公司

除了一些大公司之外，几家小公司也正在伺机开拓自己的业务。其中的一个例子是Febit公司——德国曼海姆的一家拥有大约70名雇员的年轻的生物技术公司。该公司开发出了在分析过程中全自动化并集成所有手段的原型DNA分析器件。该公司的基因器件——“基因一号”被设计用于基因表达分析。Febit公司的创办人之一、副总裁兼首席科学顾问皮尔 · 斯泰勒（Peer Stähler）说：“它可提供一种插塞处置式溶解法。”他还说：“你不必成为一个表面化学家，你不必选择这一过程的最佳条件，你所需要的一切只是数据。”

“基因一号”的核心是可编程DNA处理器——一种具有三维微通道结构的特殊反应容器。寡核苷酸探针的合成——利用了一种不依赖于物理实物掩模的与光有关的技术，和示踪样品的混合杂交都发生在这些微通道中。“你插入反应容器，在你把它扔掉之前无需再碰它，”斯泰勒说：“如果你的效率高，你一天可进行两轮实验。”

按当前的设计，可以制造包含64000个不同寡核苷酸的微阵列——其上平行地排列着八个阵列，每个阵列具有8000个阵点。由于1到4个阵点可覆盖一个基因，所以每个阵列可覆盖几千个基因。这与Affymetrix公司的基因芯片的基因分布密度不同，但斯泰勒希望，今后的新型基因阵列能具有十倍于现行阵列的阵点。

位于海德堡的德国癌症研究中心的约格 · 豪希塞尔（Jorg Hoheisel）及其研究组正在测试上述样品。斯泰勒希望“基因一号”能在年底打入市场。

改进的余地

微阵列领域的参与者认为，徽阵列技术仍有许多改进的余地。例如，国际TeleChem公司正在开发利用反射式基质。塞纳说，虽然尚处于发展阶段，但据；说将微阵列印制到镜面上而不是玻璃上可将信噪比提高1000%。

几家公司正在开发“主动式”杂交技术。Advalytix公司——一家最近从德国慕尼黑路德维希-马克西米连（Ludwig-Maximilians）大学纳米科学中心衍生出的公司，将在今年4月发售这种杂交器件。该器件没有可动部分，不但可比“被动式”杂交器件提供更多的同类反应条件，消除所谓的边缘效应，而且还可提高杂交反应速度（这种混合芯片利用表面声波控制试剂的流动）。它被用于一种“三明治式”装置内，该装置的底部是一块常规的DNA微阵列，顶部是一块混合芯片，二者之间是杂交溶解液。

“微阵列技术将随着时间更加完善，当我们更清楚地知道哪些基因是重要的，尤其或许哪些剪接变体是最重要的之后，上述微阵列中的许多将会取得令人满意的结果。”埃莫斯说。除了改善探针本身之外，他还希望改进样品核酸的标定技术，以便科研人员减少原料的使用。塞纳认为适合于临床应用的芯片将在5年内面世，而基因筛选面或许会更早实现。

[Nature，2002年4月25日]