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2024年3月20日发(作者：git切换账号登录)
比较基因组杂交（comparative genomic hybridization, CGH）技术是在染色体荧光原位杂交
（fluorescence in situ hybridization, FISH）技术的基础上发展起来的一种新的分子细胞遗传学
技术。其基本原理是：分别用不同的荧光标记体系标记来自待检组织和正常组织的全基因组DNA
（分别称为测试DNA和参照DNA），各取等量标记产物制备成混合探针，与足够量的同一种属
来源的Cot－I DNA先进行预杂交以封闭基因组上的重复序列，然后与正常中期分裂相进行染色
体原位抑制杂交。测试DNA探针和参照DNA探针竞争性地与染色体上的靶序列杂交，经计算机
软件分析, 将染色体上每一象素上测试DNA/参照DNA荧光强度的差异进行换算，以研究测试
DNA拷贝数的增多或缺失。该技术不需染色体培养，一次杂交实验即可在整条染色体或染色体
区带水平对不同基因组间DNA序列拷贝数的差异进行检测并定位。因此，一经报道，很快广泛
应用于基因不平衡性的检测[1, 2]。随着生命科学与自然科学的发展以及学科交叉的不断渗入，
各种技术之间的联合应用成为趋势。目前，一种将基因芯片和CGH相结合的新技术——微阵列
－比较基因组杂交（microarray－CGH，又称arrayCGH）技术日趋成熟，并以其独特的优势而
备受瞩目。
1 arrayCGH的特点
基因芯片又称DNA探针微阵列（microarray），它通过在一微小的基片表面固定大量的基因探针，
待检测样品标记后与已固定的核苷酸序列进行杂交，根据检测信号的有无和强弱，确定样品中该
基因或核苷酸序列的含量。ArrayCGH实际上就是用微阵列取代传统CGH的中期分裂相，使荧光
标记的测试DNA探针和参照DNA探针竞争性地与微阵列上的短片段靶序列杂交。根据被检组织
基因组的大小和实验要求，微阵列上的核苷酸靶序列可来源于不同的基因组文库，如YAC
（0.2-2Mb）,BAC(300kb左右)，P1(~70-100kb), PAC(~130-150kb)和cosmid(~30-45kb)等文
库。与传统的CGH相比，arrayCGH技术在以下两方面具有明显的优势：（1）灵敏度和精确性：
由于染色体上的DNA是以高度密集和超螺旋的形式存在着，因此传统CGH只有在DNA序列缺
失达10－20Mb（细胞株）或20－30Mb（原发肿瘤）以上或序列扩增时扩增子与扩增拷贝数之
积至少2Mb才能被检测出来。故传统CGH所提供的信息中必然包含为数众多的基因，需要作进
一步的精确定位。arrayCGH避开了复杂的染色体结构，所杂交的靶序列仅为包含了少数基因的
一段段短DNA片段，所以能找出传统CGH检测不出的DNA序列拷贝数的差异，并同时将扩增
或缺失的范围精确地定位在某个或某几个已知基因或EST上。（2）自动化、程序化：染色体带
型的复杂性和个体差异决定了核型分析不可能全部实现机械化，必需依靠经验丰富的细胞遗传学
家对核型分析软件得出的结果进行校正后才能进一步分析基因组的不平衡性。因此传统的CGH
技术受人为因素的限制，需要一定的经验技术和劳动力支持。ArrayCGH技术中不需要染色体核
型的制备和分析，与普通的基因芯片检测表达谱的过程一样，其结果完全可以由机器和计算机自
动操纵控制，既快速又直观。
2 arrayCGH的分类
根据微阵列上所固化的核苷酸的性质，arrayCGH可分为cDNA arrayCGH和DNA arrayCGH两种
类型。前者最早由Pollack等人报道[3]，即以常规的cDNA 微阵列为平台，基片表面固定的探针
来自待测种属的cDNA文库。cDNA arrayCGH 技术使得大规模、高通量研究基因剂量的改变成
为现实。若与基因芯片技术联合应用则可分别在基因组的复制和转录两个水平上检测基因表达谱
和基因不平衡性。1997年Solinas-Toldo率先在自己的研究中使用了另外一种arrayCGH技术
——DNA arrayCGH[4]，此后这项技术得到Pinkel等科学家的进一步改进[5]。DNA arrayCGH与
cDNA arrayCGH不同之处在于DNA arrayCGH技术是直接将基因组DNA片段固化于芯片表面，
因此靶序列上不但有基因编码区，还包含了内含子、重复序列、其他调控序列等非翻译区，增加
了实验结果的信息量。同时由于基因组DNA片段长于cDNA片段，因而DNA arrayCGH的杂交
信号强于 cDNA arrayCGH，提高了实验的敏感度。但cDNA arrayCGH芯片制备相对容易，cDNA
片段多介于0.5-2kb之间[6]，可很方便地设计引物，通过PCR从cDNA文库中得到所需的全部
序列，而cDNA上广泛分布的表达序列标签（expressed sequence tags，EST）也有助于对所得
序列进一步纯化和点阵。因此这两种arrayCGH技术各有所长，在实际工作中可根据具体情况和
实验要求作出选择。
3 arrayCGH的应用
3.1 在肿瘤基因组学研究中的应用
利用arrayCGH进行肿瘤基因组的研究已成为肿瘤研究中的热点。所采用的芯片既可以是根据研
究目的针对某个特定染色体或基因组的一段区域[7, 8]专门设计，也可以根据所研究肿瘤的特点
和现有的生物学信息，选取较易产生基因不平衡的区段[9, 10]，或用全基因组芯片对所有已知和
未知基因进行筛查[11-15]。迄今为止，不论采用哪种芯片，实验结果均证实arrayCGH比传统的
CGH敏感性更高，可以检测出传统CGH检测不到的基因拷贝数异常。
基因组的异常可表现为染色体区段异常和基因拷贝数目异常。应用全基因组arrayCGH研究发现：
不同肿瘤组织在基因组异常方面存在很大的异质性。某种类型的肿瘤很可能是由于特定的基因表
达的改变或特定的遗传物质不稳定引起的[16]。例如，常规的细胞遗传学方法可将结肠癌分为具
有碱基错配修复能力（mismatch repair，MMR）和碱基错配修复能力缺陷两种亚型，这两种亚
型在组织学、基因表达谱和化疗反应性等方面存在很大差异。Snijders等人通过特定区段的
arrayCGH对具有MMR和MMR缺陷的结肠癌细胞系进行研究，不但证实了上述细胞遗传学的研
究结果，而且还发现在MMR缺陷的细胞系中，发生MLH1 基因改变的细胞比发生MSH2基因改
变的细胞更易发生遗传物质的异常[16]。
ArrayCGH还可用于肿瘤分型的研究[13, 14, 17]。在一项对脂肪肉瘤的研究中，国外学者利用
arrayCGH技术轻而易举地将未分化亚型和多行性亚型区分开来，比单纯的表达谱分析更具有优
越性。Veltman等用arrayCGH研究了不同阶段和病理分级的膀胱癌的基因组拷贝数差异，结果
未能找到这二者之间有任何联系，但却意外地发现某些基因组特定位点的异常总是同时发生，例
如ERBB2和CCNE1基因的拷贝数在膀胱癌组织中总是同时增高；而另外一些基因如CCND1和
E2F3在功能上似乎具有互补作用，其拷贝数的异常总是交替出现，即在一种癌肿组织中只能检
测到这二者中一个基因数目的异常。这一研究结果提示：对肿瘤基因拷贝数整体水平的研究有助
于我们理解肿瘤细胞为何会失去正常的调节控制功能而被赋予无限增殖的潜能。
与传统CGH相比，arrayCGH更利于发现新的癌基因。由于arrayCGH对基因的定位更加精准，
一旦确定某一序列上可能存在候选癌基因，通过基因组数据库就能很容易找到这个基因[18]。最
近，在乳腺癌的研究领域中，许多研究小组采用了arrayCGH与基因芯片相结合的手段，将基因
组拷贝数与表达谱相互比较、相互印证。结果证实了联合应用这两种方法在确定候选癌基因方面
非常富有成效[19, 20]。
3.2 在人类遗传性疾病中的应用
许多先天性疾病，如各种畸形和智力缺陷，常常伴随着染色体的异常。传统的姬姆萨显带（G－
banding）技术最多可将染色体区分成550余条明暗相间的带型，以此来判定染色体异常的位置。
FISH技术的应用大大提高了染色体检测的灵敏度和分辨率，并逐渐成为染色体插入异常和DNA
拷贝数改变检测的金标准。然而，FISH技术一次只能检测一个或几个候选位点，且需要细胞遗
传学家对每一例标本进行评判，这一过程平均要花费5－7个小时甚至更多的时间[21]。
近年来，许多研究小组利用arrayCGH技术对遗传性疾病所伴随的染色体异常进行了全面系统的
分析，获得了与G显带和FISH相一致的结果，且前者具有更高的分辨率，能够大规模、高通量
地一次性检测所有染色体位点的异常，并能够自动分析结果，更加客观省时。在对某些标本的研
究中，用arrayCGH还发现了一些FISH技术未能检测到的染色体异常[22, 23]，提示arrayCGH
在人类遗传性疾病的研究中具有广阔的应用前景。例如， 已知特发性痴呆患者中常伴有染色体
端粒附近小范围内的重排。最近Veltman研究小组对20例已知细胞遗传学异常的特发性痴呆患
者进行了双盲研究，结果发现arrayCGH技术不但可以检测出几乎所有已知的染色体异常，而且
还检测到几个新的基因拷贝数改变[24]。
人群中DNA拷贝数的多态性增加了基因组分析的复杂性。据报道，染色体末端的端粒区，特别
是2q和Xp/Yp区的末端最易出现端粒长度和重复频率的多态性[25, 26]。研究发现其中某些多
态性与疾病表型密切相关，而arrayCGH的应用无疑有助于剖析复杂的人类基因组多态性现象，
从而揭示出这些与疾病相关的多态性基因。
4 展望
DNA拷贝数的改变是可能引起基因表达异常的机制之一，而后者是导致个体发育异常和肿瘤的
根源。除了全基因组范围内的arrayCGH外，与发育和肿瘤有关的各种专门用途的arrayCGH的
研究正在悄然兴起。例如一种来源于CpG岛文库的array可专门用于检测基因组的甲基化状态[27,
28]。最近报道了一种人类22号染色体连续克隆的array[29]，这种高密度的array可将单个基
因拷贝的变化精确在50kb的范围之内。越来越多的国内外学者开始将ArrayCGH与其他分子生
物学手段联合应用，并取得了理想的效果。如用形形色色的array，包括CpG岛array，与染色
质免疫共沉淀（chromatin immunoprecipitation）技术联合应用，为阐明全基因组范围内蛋白质
与基因之间的相互作用或与疾病状态之间的关系提供了线索。在胚胎发育研究和临床应用中，传
统的CGH技术已被证实对不孕症和产前诊断有良好的参考价值[30]。虽然还未有arrayCGH关于
这方面的研究报道，但可以预测，在不久的将来，arrayCGH技术一定会在生殖发育科学的基础
和临床研究中大显身手。当然，为尽量减少临床假阳性和假阴性结果的出现，尚需对各项技术指
标和操作规程进行优化。
总之，随着基因组研究的深入和对各种生物学问题的探索，arrayCGH技术必将得到进一步发展
并被推广到更多的研究领域中去。
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