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        人類基因組計劃的完成開啟了一個新的紀元——功能基因組時代來臨，與基因信息相比較，人們更關注于基因的功能、調控網絡與信號通路等信息。表觀遺傳學研究與核內蛋白因子的功能分析成為基因表達調控研究的重要組成部分。結合了染色質免疫共沉淀與基因芯片技術的ChIP-chip技術的浮現使得全基因組范圍內DNA與蛋白相互作用的鑒定成為可能。

ChIP-Chip技術

ChIP-Chip技術應用于反式作用因子研究

ChIP-Chip技術應用于表觀遺傳學

ChIP-Chip的芯片與算法


ChIP-Chip技術a1

        染色體免疫共沉淀（Chromatin Immunoprecipitation，ChIP）是基于體內分析發展起來的方法，也稱結合位點分析法，在過去十年已經成為表觀遺傳信息研究的主要方法。它的原理是在保持組蛋白和DNA聯合的同時，通過運用對應于一個特定組蛋白標記的生物抗體，染色質被切成很小的片斷，并沉淀下來。這項技術幫助研究者判斷在細胞核中基因組的某一特定位置會出現何種組蛋白修飾。ChIP不僅可以檢測體內反式因子與DNA的動態作用，還可以用來研究組蛋白的各種共價修飾與基因表達的關系。

      近年來，此技術不斷地發展，它與芯片技術相結合后，產生了染色質免疫共沉淀-芯片技術（Chromatin Immunoprecipitation-chip, ChIP-chip）。免疫共沉淀結合微陣列技術可以在基因組范圍內篩選蛋白結合靶點，成為深入分析癌癥、心血管疾病以及中央神經系統紊亂等疾病的主要代謝通路的一種非常有效的工具。

         ChIP-chip的基本原理是在生理狀態下把胞內蛋白質和DNA甲醛作用下交聯在一起，用超聲波打碎為0.2-2 kb的染色體小片段，然后通過目的蛋白質特異性抗體沉淀此復合物，獲得特異地作用于目的蛋白結合的DNA片段，通過對目的片段的純化與檢測，從而獲得蛋白質與DNA相互作用的信息。其中共沉淀的 DNA和合適的對照用熒光標記，加在載玻片上，用于芯片分析。使用外源性DNA作為背景，免疫沉淀DNA與作為背景的對照進行比較，可以找到特異性蛋白在基因組中的結合位點。一般來說，ChIP-chip分3步完成：ChIP，DNA處理，芯片分析，如圖1所示。采用ChIP－chip方法，Ren等人利用酵母基因間DNA芯片檢出酵母轉錄因子Gal4 和Set 12 的新靶點。

ChIP-Chip技術應用于反式作用因子研究a2

        ChIP-chip，又被稱為CHIP on chip，能鑒定組蛋白修飾的特異性序列，確定核蛋白結合靶點，主要應用于兩方面：第一，確定轉錄因子及其作用位點；第二應用于表觀遺傳學研究。ChIP－chip直接與蛋白結合的基因作為靶點，而傳統的芯片無法區分直接調控基因和間接調控基因。 由ChIP-chip直接在體內獲得的全基因組數據，可以直接用于生物信息學分析，更直接的識別轉錄因子結合元件。

        ChIP與基因芯片相結合建立的ChIP-chip方法已廣泛用于特定反式因子靶基因的高通量篩選；CHIP與體內足跡法相結合，用于尋找反式因子的體內結合位點；RNA-CHIP用于研究RNA在基因表達調控中的作用。它與DNA芯片和分子克隆技術相結合，可用于高通量的篩選已知蛋白質分析的未知DNA靶點和研究反式作用因子在整個基因組上的分布情況。

        ChIP-chip技術對于大規模挖掘順式調控信息成績卓著，同時它可以用于胚胎干細胞和一些疾病如癌癥、心血管疾病和中央神經紊亂的發生機制的研究。

ChIP-Chip技術應用于表觀遺傳學(epigenetics)a3
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        在基因組中除了DNA和RNA序列以外，還有許多調控基因的信息，它們雖然本身不改變基因的序列，但是可以通過基因修飾，蛋白質與蛋白質、DNA和其它分子的相互作用，而影響和調節遺傳的基因的功能和特性，并且通過細胞分裂和增殖周期影響遺傳的一門新興學科。因此表觀遺傳學又稱為實驗遺傳學、化學遺傳學、特異性遺傳學、后遺傳學、表遺傳學和基因外調節系統，它是生命科學中一個普遍而又十分重要的新的研究領域。總之，表觀遺傳學就是指基于非基因序列改變所致基因表達水平變化,如DNA甲基化和染色質構象變化等，而表觀基因組學(epigenomics)則是在基因組水平上對表觀遺傳學改變的研究。目前，表觀遺傳學的各方面數據已經成為細胞狀態的基本標志。

        表觀遺傳學主要內容包括甲基化，組蛋白修飾和染色質改型。ＤＮＡ的甲基化是生物關閉基因表達的一種有效手段，也是印跡遺傳的主要機制之一。ChIP-chip技術可以提供有關人的基因編碼區中組蛋白甲基化分布模式的信息。CpG島甲基化是基因組甲基化的一個重要指標，目前認為CpG島甲基化導致轉錄抑制是惡性腫瘤發生的重要機制之一。為了同時研究基因表達，DNA甲基化和組蛋白乙酰化，出現了一種從CpG島中設計發展而來的芯片，CpG島表達序列標簽芯片。采用CpG島芯片，就可以顯示基因組內CpG甲基化和組蛋白修飾之間的聯系。

        ChIP-chip技術鑒定表觀遺傳學和表觀基因組學信息已經得到廣泛應用。在干細胞iPS技術中，表觀遺傳學到研究至關重要，是確定iPS細胞是否具有干細胞特征的基本手段。2007年，日本京都大學的Shinya Yamanaka領導的研究小組通過iPS獲得人類干細胞后，正是運用了ChIP-chip技術對這些誘導得到的干細胞進行甲基化等表觀遺傳信息進行分析。

ChIP-Chip的芯片與算法a4a4

       和許多基因芯片相關的技術一樣，數據處理是一個難點。ChIP-chip獲得大量的復雜的數據，如何從中聚類、挖掘、分析，得到有效的數據及信息是這種方法的關鍵步驟之一。

        目前，ChIP-chip分析中最常用Affymetrix公司開發的ChIP-chip嵌合芯片（Affymetrix tiling arrays）。Tiling芯片是迄今為止分辨率最高的基因芯片類型，它的探針設計幾乎涵蓋了目標DNA的全部序列。目前為止，Affymetrix公司已經開發出了人、小鼠、酵母、線蟲、擬南芥等模式生物的全基因組Tiling芯片，為全基因組規模上研究目的蛋白與核酸的相互作用提供了強有力的分析工具。除了全基因組芯片外，還包括了專門應用于ChIP-chip技術中的人啟動子和小鼠啟動子兩款芯片，探針設計覆蓋了轉錄起始位點附近10kb的范圍，針對腫瘤相關的1300個基因中，覆蓋范圍更增加到12.5kb。Affymetrix開發了相應算法，運用隱馬爾可夫模型，從ChIP-chip技術獲得事基因組數據中抽取大量轉錄因子信息。

        兩步模型法（2-step paradigm）是最常用于分析ChIP-chip數據的方法。首在獲得的數據中在結合部位抽取500-1000bp左右的序列信息。然后在這些序列中進行模式比對，可以獲得粗糙的目的數據集，進行數據挖掘和分析。為了簡化數據處理與及得到更為敏感有效的數據，科學家正努力不懈地完善算法。最近， Heejung Shim 和Sündüz Kele 發表了CTCM模型（conditional two-component mixture (CTCM) model），聲稱已經通過測試，可以一步法獲得高專一性、高敏感度的有效ChIP-chip數據，尤其對一些低豐度的數據效果顯著。