大规模基因表达谱分析

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大规模基因表达谱分析
随着人类基因组测序逐渐接近完成，科学家发现即使获得了完整基因图谱，对了解
生命活动还有很大距离。我们从基因图谱不知道基因表达的产物是否出现与何时出
现；基因表达产物的浓度是多少；是否存在翻译后的修饰过程，若存在是如何修饰
的，等一系列问题。这些问题的实质是不了解按照特定的时间、空间进行的基因表
达谱。获得基因表达的信息是比 DNA 序列测定艰巨得多的任务，因为基因表达是
依赖于许多因素的动态过程。
国际上在核酸和蛋白质两个层次上发展了分析基因表达谱的新技术，即核酸层次上
的 cDNA 芯片（cDNA 微阵列）技术和蛋白质层次上的二维凝胶电泳和测序质谱技
术，即蛋白质组(proteome)技术。DNA 芯片技术能够在基因组水平分析基因表达，
检测许多基因的转录水平。
对大规模基因表达谱的分析存在新的方法学问题，它们从数 学角度 看不是 简单的
NP 问题、动力系统问题或不确定性问题，而是基因表达网络，因此需要发展新的
方法和工具。同时，在芯片等的设计上，也需要从理论到软件的支持
下面主要围绕 cDNA 芯片相关的数据管理和分析问题进行讨论。
1．实验室信息管理系统
cDNA 芯片实验的目的是要在一次实验中同时得到成千上万个基因的表达行为，这
样的实验需要有管理实验前后大量数据的能力。设计构建检测基因表达的微阵列需
要获得生物体基因的所有序列、注释和克隆。在杂交反应和扫描后，收集到的数据
必须以某种方式保存，以便很容易进行图象处理和统计及生物学分析。因此需要建
立与大规模高通量实验方法相匹配的实验材料和信息管理系统。
该系统除用来定位和跟踪材料来源（例如，克隆，微阵列，探针）外，还必须管理
实验前后大量的数据。此外，还包括实验室设备软件系统，如斯坦福大学  Brown
实验室免费的控制自制机器点样设备软件（http://cmgm.standford.edu/pbrown）
芯片图象处理已有各种软件工具，基本的功能是将不同信号强度点的图像转换为每
个点的强度数值。这方面没有一致的方法，许多研究小组仍在开发这类软件。图象
分析软件的质量对精确解释玻片和膜上的信号非常关键。NHGRI 的  Yidong  Chen
开发了一种复杂的图象分析程序，deArray,可免费获取。


美国国立卫生研究院人类基因组研究所（NHGRI ）开发的免费的

cDNA 芯片数据

管理分析系统 ArrayDB，涉及微阵列的设计、实验室信息管理、实验结果的处理和
解释。下面加以简单介绍。
ArrayDB
ArrayDB 是 用 来储 存 、查 询 和分 析  cDNA 芯 片实 验 信息 的 实验 室 管理 系 统。
ArrayDB 整合了 cDNA 芯片实验中的多个方面，包括数据管理、用户介面、机器自
动点样、扫描和图象处理。ArrayDB 中保存的数据包括实验来源、实验参数和条件
以及原始的和经处理的杂交结果。ArrayDB 依托的关系数据库储存了芯片上每个克
隆的相关信息，包括基因的简单描述、GenBank 号、IMAGE 克隆识别号、代谢途
径号和实验室内部克隆号。ArrayDB 还储存了与  cDNA 芯片制造和实验条件的信
息。包括点样相关数据（点样机器的参数）、环境条件（温度、湿度、点样针冲洗
条件）等数据。此外，还保存了杂交探针和实验条件，包括研究者的姓名，研究目
的和实验条件、组织细胞类型的文本描述。有关杂交的结果 的信息 包括扫 描图象
（“原始”结果）、信号强度数据、信号强度比值和本底值。
ArrayDB 的设计允许灵活地提取数据信息。设计策略允许不同来源的数据输入，大
多数克隆信息来自 Unigene 数据库(包括序列的命名和获取号)。也允许新分离的还
没有获取号及名称的克隆的输入。许多数据输入和处理过程是自动的。软件会自动
扫描目录查找新输入数据库中的信号强度数据无须人工辅助，其它自动处理包括很
方便地整合信号强度数据和克隆数据。
ArrayDB 的  Web 界面能很方便地进行不同类型信息的查询，从克隆信息到信号强
度值到分析结果。ArrayDB 支持各种字段的数据查询，例如克隆  ID、标题、实验
编号、序列获取号、微量滴定板编号以及相关克隆的结果。每个克隆的更多信息通
过超文本链接至其他数据库如 dbEST、GenBank 或 Unigene，代谢途径信息也可通
过链接至 KEGG 得到。
通过序 列相似性搜 索可以有 效地寻找目 的基因。ArrayDB 支持对  10K/15K 数据
（软件自带数据）进行 BLASTN 搜索以便确定目的基因是否已包含在芯片中。
ArrayDB 能分析单个和多个实验产生的信号强度比值的类型和关系。ArrayViewer
工具支持查询和分析单个实验；MultiExperiment  viewer 工具支持多个实验数据。
在下述网站可得到更详细信息和相关软件。
DeArray 和 ArrayDB 网址： http://www.nhgri.nih.gov/DIR/LCG/15K/HTML