Illumina的SNP芯片原理

在高通量SNP检测的市场上，Illumina的生物芯片有着巨大优势。新近很火的美国“23 and ME公司”，就是用的Illumina的Human Omni Express生物芯片来做SNP检测的。

Illumina的SNP生物芯片的优势在于：

第1，它的检测通量很大，一次可以检测几十万到几百万个SNP位点

第2，它的检测准确性很高，它的准确性可以达到99.9%以上

第3，它的检测的费用相对低廉，大约一个90万位点的芯片（每个样本的）检测费用在一、两千人民币

Illumina的生物芯片系统，主要是由：芯片、扫描仪、和分析软件组成。目前它主要的扫描仪有HiScan和iScan两款。另外，NextSeq 550型（测序仪）也可以扫描部分类型的芯片。它的分析软件，主要是《Genome Studio》。

我们今天讲解的重点，是Illumina的SNP芯片的工作原理。

Illumina的生物芯片，由2部分组成：第1是玻璃基片，第2是微珠。

这个玻璃基片，它的大小和一张普通的载玻片差不多大小，它起到的作用，就是给微珠做容器。

在这个玻璃基片上，通过光蚀刻的方法，蚀刻出许多个排列整齐的小孔。每个小孔的尺寸都在微米级，这些小孔是未来容纳微珠的地方。小孔的大小与微珠正好相匹配，一个小孔正好容纳一个微珠。微珠是芯片的核心部分，微珠的体积很小，只有微米级。每个微珠的表面，都各偶联了一种序列的DNA片段。每个微珠上，有几十万个片段，而一个珠子上的片段，都是同一种序列。这些DNA片段的长度是73个碱基，而这73个碱基又分成2个功能区域。

靠近珠子的这一端的23个碱基的序列，被称为Address序列，它也是DNA片段的5'端。它是标识微珠的标签序列。标签序列，通过碱基的排列组合，得到许多可能，每种序列，就是相应微珠的身份证号码（ID号）。

DNA片段上离珠子远的那一端的50个碱基，也就是3'端的序列，被称作Probe序列，它的作用，是与目标DNA进行互补杂交。一种Address序列，就对应了一种probe序列。它们之间有着一一对应的关系。

在Illumina生产芯片的过程当中，是把要做芯片的几十万种微珠，按设定的比例进行混合好，撒到玻璃基片上。微珠随机地落入基片的小孔当中，然后，通过检测芯片上每个小孔当中的微珠上的Address序列，就可以知道，这个小孔当中是哪种微珠。

又因为Address序列和Probe序列有着一一对应的关系，这样，也就知道了每个小孔当中，有哪种Probe。反过来说，也就知道了每种Probe分布在哪几个小孔中了。

所以，Illumina公司出厂的每一张芯片，都要跟一个“.dmap”文件。这个.dmap文件，标注了每一张芯片上，每一个微孔当中，分别是哪种微珠。用户做完芯片实验，得到扫描数据后，要从Illumina的网站上下载这张芯片的对应dmap文件，然后才能解读这张芯片。在一张芯片的一个反应（样本位）当中，每种珠子平均有约15颗或更多。

说完了Address序列的功能，接着我们来说Probe序列的功能。Illumina的生物芯片扫描仪，是扫描2种（荧光）颜色的：红色和绿色。而碱基有4种：A、C、G、T，要用2种荧光颜色，在一次实验当中，就区分出四种碱基，就需要一些巧妙的设计。在Illumina的SNP芯片Probe设计上，先把要检测的位点，分成2种情况。

• 第一种情况是比较简单的，我们先举例来说明。如果一个SNP位点的野生型是“G”，突变型是“A”，那么就设计一个探针。这个探针的3'端的最末一个碱基，就挨着这个SNP位点。在

实验过程当中，目标片段通过互补杂交，结合到这个探针上，然后，加入四种带标记的双脱氧核苷酸。其中A、T两种核苷酸是用DNP（二硝基苯）来进行标记的。C、G两种碱基是用生物素来标记的。同时，加入聚合酶，聚合酶就会在探针的3’末端，加上一个双脱氧核苷酸，并同时捎带连上一个标记物。

接着加入绿色荧光标记的链霉亲合素，红色荧光标记的抗DNP的抗体。绿色荧光标记的链霉亲合素与生物素特异地结合，让带生物素的C、G碱基显出绿色。红色荧光标记的抗DNP的抗体与DNP结合，让带DNP的A、T碱基显出红色。

并且进一步加入生物素标记的抗链霉亲合素的抗体、和DNP标记的，抗异种抗体FC端的抗体。加入这两种抗体的作用，是使荧光信号得到进一步的级联放大。

抗体结合完了之后，经过清洗，把游离的抗体都给洗掉。在扫描仪下进行扫描。

如果发出的光是绿光，就说明这个SNP结合的位点，是个“G”碱基的纯合子。如果发出的是红光，就说明这个SNP位点是个“A”碱基的纯合子。如果既有红光、又有绿光，而且两种颜色的光的光强差不多，就说明这个SNP位点是一个“A”和“G”的杂合子。

说明了上面的道理，那么，A-C、A-G、T-C、T-G，这四种SNP情况都可以理解了。因为它们长出来的碱基，最后都会被染成不同的颜色，所以，可以被轻松地区分。

那么，接下来，你就会想，对于A：T，或者C：G型的SNP位点，该如何来区分。因为“A：T”会有同样的红色荧光，“C：G”也会有同样的绿色荧光。

好，接着我们就来说，这第二种情况的SNP位点的区分方案。

刚才我们说了，第一种SNP位点的区分方案，是把探针设计到紧挨着SNP位点，但留出SNP位点，让下一个延长的碱基，按照互补原则，根据SNP位点的碱基来生长。

• 那么，这第二种情况的SNP，在设计探针的时候，最后一个碱基，是盖在SNP位点上的。而且是设计2种探针，如果SNP位点是“A”和“T”，那么探针也设计“A”和“T”。并且分别盖在SNP位点上面。

这2种探针，在与目标DNA片段结合的时候，如果最后一个碱基是互补的，那么接下来的延伸反应就会发生，新的带标签的双脱氧核苷酸就会被加到探针链上。再接下来，就会被荧光抗体染色，在激光扫描的过程当中，就会发光。

反之，如果最后一个碱基是不互补的，那么接下来的延伸反应，就不会发生。当然，也就不会有标签加到探针链上，再接下来，荧光抗体也就不会将之染色。在后面的激光扫描当中，就不会发光。

激光扫描的结果，如果末尾是A碱基的探针发光，而末尾是T碱基的探针不发光，那么说明目标SNP位点上是一个“T”的纯合子；反之，则是“A”的纯合子；如果A和T的探针都发光，而且发光强度差不多，那说明SNP位点上是一个“A”和“T”的杂合子。

理解了Illumina的SNP芯片的工作原理，也就理解了它为什么准确率比较高。因为它是通过“红”或“绿”，和“有”或“无”，来区分一个SNP位点到底是哪种碱基的。

实验流程

(转自 陈巍学基因)