CN113416766B

CN113416766B - 一种生物芯片的解码方法

Info

Publication number: CN113416766B
Application number: CN202110752306.2A
Authority: CN
Inventors: 李智; 许心意; 刘超钧
Original assignee: Suzhou Lasso Biochip Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Lasso Biochip Technology Co ltd
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2021-07-02
Publication date: 2022-08-19
Anticipated expiration: 2041-07-02
Also published as: CN113416766A

Abstract

本发明提供了一种生物芯片的解码方法，所述生物芯片的解码方法通过X段标签序列同时与X个带有荧光基团的解码序列发生Y步特异性杂交反应，X≥2，Y≥1，使得生物芯片上的每一个孔位位置得到一个实际荧光颜色标签序列，所述荧光基团选自至少四种不同颜色的荧光基团中的任一种，将每一个孔位位置对应的实际荧光颜色标签序列与预设荧光颜色标签序列进行比对，即可得到所有孔位的探针种类‑孔位位置的对应信息，即完成生物芯片的解码。采用上述技术方案后，在一次解码实验中获得的信息量增大，解码相同数量的探针所需的解码实验次数减少，从而极大地提高了在生物芯片的生产环节中对多种探针进行解码时的解码效率。

Description

一种生物芯片的解码方法

技术领域

本发明涉及生物芯片，尤其涉及一种生物芯片在生产环节的解码方法。

背景技术

在生物芯片的制造过程中，首先将某一种探针连接到同一批微珠上，每批微珠只对应一种探针，然后得到的所有的连接于探针的微珠按照一定比例混合打乱，并将打乱后的微珠随机均匀分布于具有硅板表面的孔位中，即得生物芯片。但是此时的生物芯片还不能立刻用于检测，生物芯片还需要知道该生物芯片上的探针种类对应的解码文件，因此，只有经过解码后的生物芯片才能够正式用于后续检测。由于在硅片上装载微珠的过程具有随机性，需采取某种方法来获取硅板上每个孔位与探针种类的对应信息，这一过程即为解码。对于寡核苷酸链探针来说，可利用碱基互补配对原理，使芯片上的探针与其互补序列(即解码序列)进行杂交反应，再结合荧光基团，使每一个孔位位置被荧光基团“染色”，通过荧光扫描设备得到每一个位置的荧光信号，再把荧光信号转换成对应的探针种类，就可完成解码。解码原理同样适用于其他种类的生物探针，也适用于得到其他种类的生物芯片上探针与空间位置的对应信息，比如对于蛋白质探针，可使其适配体带上荧光信号，再与其特异性结合，同样可以使其所在的空间位置带上荧光信号，并且该荧光信号可以转化为对应的探针种类。

当需要解码的探针种类较多而一步杂交反应所获得的信息量较少时，则需要反复进行多次解码实验(即进行多次杂交+洗脱)才能够解码所有探针。因为杂交反应具有可逆性，需要反复进行杂交洗脱，进行才能完成解码。例如，现有技术中的生物芯片解码采用双色解码的较多，例如采用A、B分别表示2种荧光信号，一步杂交反应仅能够获得A和B两种荧光信号，如要想要解码生物芯片上的多种探针，需要进行多步杂交反应才可以。综上，现有技术中进行生物芯片解码时的一步杂交反应中获得的信息量较少，解码效率低。

发明内容

为了克服现有技术中进行生物芯片解码时的一步杂交反应中获得的信息量较少，解码效率低的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种生物芯片的解码方法，所述生物芯片包括待解码的不同种类的探针、微珠和表面具有孔位的基底，所述微珠嵌入于所述孔位中，所述探针带有复合标签序列，所述复合标签序列包括X段能够同时与互补的并且带有选自至少四种不同颜色的荧光基团中的任一种的荧光基团的解码序列发生特异性杂交反应的标签序列，X≥2，在每一步解码实验中，X段标签序列能够最多同时与X个解码序列进行杂交反应，换句话说，X段标签序列中的一个或多个能够不与解码序列进行杂交反应，所述复合标签序列的一端连接于所述微珠，所述复合标签序列的另一端连接于所述探针，所述生物芯片的解码方法包括步骤：

步骤S1：事先定义好待解码的不同种类的探针所对应的预设荧光颜色标签序列和所对应的包括X段标签序列的复合标签序列；

步骤S2：将带有所述待解码的不同种类的探针的微球与X个带有荧光基团的解码序列发生Y步特异性杂交反应并且在每一步特异性杂交反应中采用与所述荧光基团相应的至少四种激发光同时照射所述孔位并拍照，从而使每个孔位位置分别得到一个对应的长度为X×Y的实际荧光颜色标签序列，Y≥1；其中，在每一步特异性杂交反应中，使用的所述解码序列及其所带的荧光基团是已知的，并且每一所述解码序列带的所述荧光基团选自至少四种不同颜色的荧光基团中的任一种；以及

步骤S3：将每一个孔位位置对应的实际荧光颜色标签序列与预设荧光颜色标签序列进行比对，即可得到所有孔位的探针种类-孔位位置的对应信息，即完成生物芯片的解码。

优选地，选用发射波长相差尽可能大(例如不同荧光波长之间相差至少20nm)的4种荧光基团，四个通道同时激发和拍照，前提是保证了扫描设备的技术设计和相应参数足以区分所有种类的光信号，且能在每个通道获得足够的荧光强度。这样的方案设计使得每一步解码实验中所能获得信息量大大增加。

本申请中的解码序列包括但不限于基因的碱基序列和氨基酸的适配体序列。

本申请中的“基底”包括但不限于硅板基底、玻璃基底或者其他材料基底。

进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

步骤S21：所述X段标签序列能够同时与所述X个带有荧光基团的解码序列根据碱基互补配对原理发生第一步特异性杂交反应；

步骤S22：采用与所述至少四种荧光基团对应的至少四种激发光同时照射所述孔位并拍照以得到第一个多色通道荧光照片，然后将所述第一个多色通道荧光照片经过孔位位置识别和荧光信号强度提取，转化为数字信号，从而使每一个孔位位置得到一个实际荧光颜色标签；

步骤S23：洗脱已经与X段标签序列发生第一步特异性杂交反应的所述解码序列；以及

步骤S24：然后重复步骤S21至步骤S23共计Y-1次之后，生物芯片上的每一个孔位位置得到一个长度为X×Y的实际荧光颜色标签序列。

其中，每一个多色通道荧光照片是通过四个单一颜色的单通道荧光照片通过合成得到的彩色照片。

进一步地，每一所述解码序列带的所述荧光基团选自Cy2、Cy3、Cy5、Cy5.5、Cy7中的任一种。值得注意的是，本申请中的荧光基团并不限于Cy2、Cy3、Cy5、Cy5.5和Cy7，还可以使用本领域惯用的其他荧光基团。

进一步地，2≤X≤5。

进一步地，所述标签序列由至少2条特异性子序列依次首尾拼接而成。

进一步地，所述生物芯片为基因芯片或蛋白质芯片，所述基因芯片和所述蛋白质芯片中的构成所述特异性子序列的基本单元为带有不同碱基的脱氧核苷酸。应用一：基因芯片。采用标签序列+探针的设计，标签序列与探针一一对应。通过解码序列识别标签序列，即可识别出探针的种类。应用二：蛋白质芯片。如将蛋白质探针耦连在微球上，同时在微球上耦连上标签序列，探针与标签序列一一对应。通过解码序列识别标签序列，即可得知微球上耦连的蛋白质探针种类。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本申请的解码方案的一步杂交反应中有至少两段标签序列能够同时与多个解码序列进行杂交反应，同时每一个解码序列所带的荧光基团选自至少四种不同颜色的荧光基团中的任一种，因此，在一次解码实验中获得的信息量增大，解码相同数量的探针种类所需的解码实验次数减少，从而极大地提高了在生物芯片的生产环节中对多种探针进行解码时的解码效率。

附图说明

图1为本申请一实施例的具有4段式复合标签序列同时与4个带有荧光基团的解码序列发生特异性杂交反应的原理示意图；

图2为包括带有4段式(X＝4)复合标签序列的探针的基因芯片经过Y(Y＝3)步解码实验后得到的长度为12(4×3)的实际荧光颜色标签序列，所述实际荧光颜色标签序列包含3个各自长度为4个颜色信号的实际荧光颜色标签。

附图标记：

11-微珠，12-标签序列，13-探针，20-解码序列，30-荧光基团，40-实际荧光颜色标签。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步阐述本发明的优点。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

一、制备基因芯片

(1)设计并人工合成适量符合要求的DNA标签序列

示例地，根据欲解码的探针的种类数量的实际需求，采用中国专利申请CN2021106640942中的标签序列的生成方法人工合成适量的本申请中使用的适量的DNA标签序列，或者采用本领域惯用的其他人工合成方法生成适量的本申请使用的DNA标签序列，本申请并不特别限定标签序列的具体生成方法。优选地，本申请中使用的DNA标签序列均需符合下述预设原则且包含3条长度为7个碱基的特异性子序列，即每一条DNA标签序列的总长度为21个碱基。

所述特异性子序列和所述DNA标签序列均符合下述预设原则：连续相同的碱基数量小于等于8个，GC含量为30％～60％，发夹结构长度小于等于8个碱基，自互补片段小于等于16个碱基，并且所述DNA标签序列与目标基因组(例如人类基因组)不相似，“不相似”是指使用BLAST在目标基因组中找不到与该标签序列E值小于0.05的匹配结果。

示例地，在最终人工合成的大量的DNA标签序列中，任意选取其中4条DNA标签序列进行首尾拼接生成一条4段式复合标签序列，示例地，构成这个4段式复合标签序列的4条DNA标签序列的具体序列如下：

SEQ ID NO.1：TCCCGCCAGATCAGAGTATTA；

SEQ ID NO.2：ACGAACCGTCTCCAATCCGTT；

SEQ ID NO.3：CTAGAACACATGGAGTCGCGC；

SEQ ID NO.4：ACGTCAGTGATCCCTACTTTA。

(2)类似地，重复上述复合标签序列的生成方法，在最终人工合成的所有DNA标签序列中，任意选取并拼接4条DNA标签序列得到一个4段式复合标签序列，最终生成大量的4段式复合标签序列。

(3)将上述4段式复合标签序列分别连接到每一条待解码的探针(示例地，探针的长度为50个碱基)上以设计得到带有复合标签序列的探针，然后按照该设计一次性地化学合成带有复合标签序列的探针序列(则带有复合标签序列的探针序列的总长度为21×4+50＝134)。

(4)将化学合成得到的某一种具有复合标签序列的探针序列连接到同一批微珠上，如图1所示，示例地，11为微珠，4个标签序列12共同组成一个4段式复合标签序列，13为探针，微珠11、复合标签序列和探针13依次连接。每批微珠只对应一种探针，其中，探针与微珠之间的连接工艺包括以下步骤A-C：

A.修饰氨基

原材料为表面带硅羟基的实心二氧化硅微球，将其配制成100mg/mL的乙醇悬浮液。加入能使其表面氨基化的硅烷化试剂，如3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷等，硅烷化试剂在在混合液中的浓度为0.1％～2.5％。将混合液在室温下摇晃1小时，充分反应完成后，微球表面会带上氨基。

B.激活微球

将表面带氨基的微球悬浮在乙腈中，微球的质量浓度为100mg/mL。加入适量二异丙基乙胺和三聚氰氯，将混合液在室温下摇晃1小时，三聚氰氯与微球表面的氨基发生缩合反应，使微珠表面基团活性大大增强。用乙腈清洗3～5次去除多余反应物和产物后，再用0.05M～2M的硼酸钠缓冲液冲洗3～5次，最后让微球悬浮在硼酸钠缓冲液中，加入适量盐酸将悬浮液的pH值调整至7.5～8.5。

C.连接寡核苷酸链

将100nmol待连接的寡核苷酸链干粉用2M的氯化钠溶液溶解，将其与适量硼酸钠微球悬浮液混合，其中微球含量为10～100mg，将混合液在室温下震荡5～8小时，使寡核苷酸链与微球充分接触，并与微球表面的活性基团发生反应。连接反应完成后，将混合液进行1000～3000rpm离心处理，保留上清液。微球用超纯水清洗3～5次，去除多余的反应物和产物，烘干成干粉形式，储存待用。保留下来的反应上清液用紫光分光光度计测量其在260nm波长的吸光值，确定剩余寡核苷酸链的质量，再用加入寡核苷酸链的总质量减去剩余寡核苷酸链的质量，从而计算出参与连接反应的寡核苷酸链的量，以及微球与寡核苷酸链的连接效率。经过多次实验验证，连接效率可达到1000～10000个寡核苷酸链/平方微米。

(5)将步骤(4)得到的所有的连接于探针的微珠按照一定比例混合打乱，并将打乱后的微珠随机均匀分布于具有基底表面的孔位中，并用外力固定微珠，让微珠卡在基底的小孔中，即得基因芯片。

二、解码基因芯片

针对上述制备得到的基因芯片还不能直接用于后续的基因检测，还需要通过多次解码实验(解码实验是指复合标签序列与解码序列之间发生特异性杂交反应以获得探针种类-孔位位置的对应信息)对基因芯片进行解码，以得到探针种类-孔位位置的对应信息，生成解码文件，至此，基因芯片的生产环节才全部完成，基因芯片本身配合解码文件才可以共同用于后续的基因检测。

示例地，在本申请的一实施例中，所述探针带有复合标签序列，所述复合标签序列含有4段能够同时与互补的解码序列发生特异性杂交反应的标签序列，所述复合标签序列的一端连接于所述微珠，所述复合标签序列的另一端连接于所述探针，基因芯片的解码文件的生成方法包括以下步骤：

步骤S2：将带有所述待解码的不同种类的探针的微球与X个带有荧光基团的解码序列发生Y步特异性杂交反应并且在每一步特异性杂交反应中采用与Cy2、Cy3、Cy5和Cy7荧光基团对应的四个荧光激发通道发出的激发光同时照射所述孔位并拍照，从而使每个孔位位置分别得到一个对应的长度为X×Y的实际荧光颜色标签序列，Y≥1其中，每一步特异性杂交反应中使用的所述解码序列及其所带的荧光基团是已知的，所述荧光基团选自Cy2、Cy3、Cy5和Cy7荧光基团中的任一种；

图1所示中的探针13所携带的4条标签序列12分别同时与各自携带一个荧光基团30的解码序列20发生特异性杂交反应。

具体地，步骤S2包括步骤：

步骤S21：将带有所述待解码的不同种类的探针的微球与所述X个带有荧光基团的解码序列根据碱基互补配对原理发生第一步特异性杂交反应，具体地，所述X段标签序列能够同时与所述X个带有荧光基团的解码序列根据碱基互补配对原理发生第一步特异性杂交反应；

步骤S22：采用与所述四种荧光基团对应的四种激发光同时照射所述孔位并使用基因芯片扫描仪(或者使用共聚焦显微镜等)拍照以得到第一个多色通道荧光照片，然后将所述第一个多色通道荧光照片经过孔位位置识别和荧光信号强度提取，并转化为数字信号，从而使每一个孔位位置得到一个实际荧光颜色标签，其中，每一个多色通道荧光照片是通过四个单一颜色的单通道荧光照片通过合成得到的彩色照片；

以及

具体地，步骤S2至S3包括以下步骤：

1.杂交

向磷酸缓冲盐溶液中加入0.01％～0.5％的Tween-20和25％～45％的甲酰胺，配制成解码缓冲液。将一次解码中需要的所有解码序列等比例混合，并且用解码缓冲液稀释至0.05～0.1nmol/mL，取适量滴加至芯片上一个待解码的样本位。在室温下，轻微震荡，使其充分反应5～8分钟。用解码缓冲液冲洗1～3分钟，去除多余未参与反应的解码序列。

2.扫描

将上一次中与解码序列杂交好的芯片在室温晾干，然后放入芯片扫描仪扫描拍照，得到每一个激发通道对应的图片，并从中提取出数字信号。

3.洗脱

从扫描仪中取出完成扫描的芯片，用0.1N氢氧化钠溶液浸泡10～20分钟，使探针和与其杂交的解码序列解链，再用解码缓冲液冲洗1～3分钟，去除解码序列，并且中和芯片表面的环境，使其适应下一次的杂交反应。

4.解码计算

重复“杂交-扫描-洗脱”的循环，每个循环为一次解码实验。每一次解码实验中扫描得到的图片，经过孔位识别和荧光信号强度提取，转化为数字信号，即每一个孔位的一个实际荧光颜色标签，如全部为红色的实际荧光颜色标签、全部为绿色的实际荧光颜色标签、红色+绿色的实际荧光颜色标签等。经过Y次解码实验后，每一个孔位依次得到了Y个实际荧光颜色标签，即Y个实际荧光颜色标签构成一个长度为X×Y的实际荧光颜色标签序列。为了便于理解，示意地，图2中的实际荧光颜色标签序列由3个实际荧光颜色标签40构成，其中每一个实际荧光颜色标签40由4个相同或不同的颜色信号组成，例如，一个实际荧光颜色标签40由红色+红色+红色+红色组成(在荧光照片中显示为全部为红色的单色信号)，或者一个实际荧光颜色标签40由红色+红色+绿色+红色组成(在荧光照片中显示为红色+绿色的双色信号)，或者一个实际荧光颜色标签40由红色+绿色+绿色+绿色组成(在荧光照片中显示为红色+绿色的双色信号)等等。由于事先定义好每一种探针的复合标签序列和预设荧光标签序列，并且每一次解码实验加入的解码序列及荧光基团的组合是已知的，那么通过扫描所得图片计算得到实际荧光标签序列后，即可将其对应到相应的探针种类。每一个孔位都进行这样的对应后，生成一个“探针种类-孔位位置”的对应文件(即解码文件)，用于存储位置与探针种类的对应信息，也就完成了解码。芯片上每一个孔位都相应有一个“探针种类-位置”的解码文件，配合基因芯片的后续在检测时使用。

使用不同段数的复合标签序列和不同数量的荧光颜色的一步解码实验可获得信息量见下表，示例地，表1中的A为Cy2荧光信号、B为Cy3荧光信号、C为Cy5荧光信号、D为Cy5.5荧光信号、E为Cy7荧光信号。如果一步解码实验可获得的荧光信号种类数量(即荧光信号种类的总数)用M表示，解码实验的步数用Y表示，则Y步解码实验获得的信息量可以解码的探针种类为M^Y。

表1不同解码方案在一步解码实验中可以获得的信息量

实验结果及分析：

由表1的实施例1和实施例2可知，以4段式复合标签序列为例，一个探针分子带有的4段标签序列在一次杂交反应中能够同时最多与4个分别各自带有荧光基团的解码序列杂交。因为基因芯片的一个孔位中可能有探针，也可能没有探针。对应地，在一步解码实验后扫描得到的荧光照片中，如果孔位中有探针且复合标签序列中的4段标签序列都与解码序列发生杂交反应，则该孔位位置能够带上4个相同或不同的颜色标记(即4种可以是同种也可以是不同种荧光信号)。此外，如果都是采用4段式复合标签序列的基础上，如果在一步解码试验中使用的荧光基团的种类越多，则一步解码试验获得的信息量越大。例如，如果使用四种荧光基团的一步解码实验可以获得的信息量为16种荧光信号；如果使用5种荧光基团，则一步解码实验可以获得的信息量为31种荧光信号。如对比例1，而现有技术中的探针分子上只有一个标签序列，一次解码实验只能有一个标签序列参与杂交反应；或者，虽然一个探针分子上具有多段标签序列，但是多段标签序列只能依次杂交，即第一次解码实验与第一段标签序列杂交，第二次解码实验与第二段标签序列杂交，以此类推，也就是说一次解码实验只能有一个标签序列参与杂交反应，同时，现有技术中的解码方法一般只采用2种荧光基团进行解码，故一次解码实验获得的信息量较少，需要进行的解码实验的次数较多，解码效率低。

当需要解码的基因芯片的探针种类很多时，本申请的解码方案将大大地降低解码次数，从而极大地提高解码效率。假设需要解码的基因芯片的探针种类共计有20000种，如果采用现有技术中的对比例1的解码方案，则需要进行10次解码实验，即3¹⁰＝59049＞20000；如果采用本申请实施例1的解码方案，则需要进行4次解码实验，即16⁴＝65536＞20000；如果采用本申请实施例2的解码方案，则需要进行3次解码实验，即31³＝29791＞20000。

综上可知，在探针上带有的复合标签序列数量相同的条件下，一步解码实验中采用的荧光信号的种类越多，并且多段标签序列能够同时参与杂交反应，则一步解码实验中获得的信息量越大，解码相同种类的探针所需要的解码实验次数越少，解码效率越高。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

序列表

<110> 苏州拉索生物芯片科技有限公司

<120> 一种生物芯片的解码方法

<130> 说明书

<160> 4

<170> SIPOSequenceListing 1.0

<210> 1

<211> 21

<212> DNA

<213> 人工序列(Artificial Sequence)

<400> 1

tcccgccaga tcagagtatt a 21

<210> 2

<211> 21

<212> DNA

<213> 人工序列(Artificial Sequence)

<400> 2

acgaaccgtc tccaatccgt t 21

<210> 3

<211> 21

<212> DNA

<213> 人工序列(Artificial Sequence)

<400> 3

ctagaacaca tggagtcgcg c 21

<210> 4

<211> 21

<212> DNA

<213> 人工序列(Artificial Sequence)

<400> 4

acgtcagtga tccctacttt a 21

Claims

1.一种生物芯片的解码方法，其特征在于，所述生物芯片包括待解码的不同种类的探针、微珠和表面具有孔位的固相基底，所述微珠嵌入于所述孔位中，所述待解码的不同种类的探针带有复合标签序列，所述复合标签序列的一端连接于所述微珠，所述复合标签序列的另一端连接于所述探针，所述复合标签序列包括X段能够同时与互补的并且带有选自至少四种不同颜色的荧光基团中的任一种的荧光基团的解码序列发生特异性杂交反应的标签序列，所述标签序列由至少2条特异性子序列依次首尾拼接而成，X≥2，所述生物芯片的解码方法包括步骤：

步骤S3：将每一个孔位位置对应的实际荧光颜色标签序列与预设荧光颜色标签序列进行比对，即可得到所有孔位的探针种类-孔位位置的对应信息，即完成生物芯片的解码；

所述复合标签序列中的每一段标签序列和所述特异性子序列均符合下述条件：连续相同的碱基数量小于等于8个，GC含量为30%~60%，发夹结构长度小于等于8个碱基，自互补片段小于等于16个碱基，并且所述标签序列和所述特异性子序列均与目标基因组不相似，“不相似”是指使用BLAST在目标基因组中找不到与该标签序列和特异性子序列E值小于0.05的匹配结果；

步骤S2包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的生物芯片的解码方法，其特征在于，每一所述解码序列带的所述荧光基团选自Cy2、Cy3、Cy5、Cy5.5、Cy7中的任一种。

3.如权利要求1所述的生物芯片的解码方法，其特征在于，2≤X≤5。

4.如权利要求1-3任一项所述的生物芯片的解码方法，其特征在于，所述生物芯片为基因芯片或蛋白质芯片。