SNP 芯片

简介

SNP 芯片（SNP array）是一种高通量的基因分型技术，可以快速低成本地鉴别 SNP 位点。

传统的 SNP 分型技术依赖 PCR 和 Sanger 测序，即先在 SNP 位点两侧设计引物，扩增 SNP 后进行 Sanger 测序直接读取位点序列，这种方法中，一个反应只能检测 1 个 SNP，效率低下。而 SNP 芯片利用碱基互补配对原则，通过芯片上的探针“捕捉”样品DNA片段，再读取“荧光信号”来判断基因型。

原理

以下原理以 Illumina 为例。

1. 芯片的结构

SNP 芯片虽然叫“芯片”，但其实和计算机的芯片基本没有关系，根据英文直译，这是一种集成在一张chip （芯片）上的 array （阵列）。

SNP 芯片外观上接近一张载玻片，具体组成结构如下：

1. 经过光蚀刻的玻璃基片
2. 固定在基片光蚀刻孔中的微珠（μm）

而其中的微珠是实现 SNP 芯片功能的基本单元。每个微珠上都固定了一端 DNA 序列，这段 DNA 序列的长度为 73 bp，分为两个功能区：

• Address 区：地址区，23 bp，是每个的微珠的唯一分子标识。一张芯片上的每个微珠对应一个 Address 序列，每个 Address 对应一个 Probe 序列。
• Probe 区：探针区，50 bp，用于与目标 DNA 进行分子杂交，并进行下一步的单核苷酸扩增。具体工作机制见下一节。

由于 Address 区的长度为 23 bp，容易知道，理论上共可以存在 10 ¹³种不同的 Address 序列，即在一张芯片上，至多可以放置 10¹³ 种不同的 Probe。Illumina 在将芯片出厂前，会对安置的所有微珠的 Address 进行检测，将 Address 和 Probe、微珠坐标一一对应，存储在 .dmap 文件中。只有借助这个文件，才能解读芯片的内容。

2. 分子杂交和单核苷酸扩增

这一部分也就是 Probe 序列的核心功能。

Probe是根据 SNP 位点设计的，具体有两种

• Probe 序列的设计刚好停在 SNP 位点的前一个碱基，也就是说，当样品与 Probe 杂交后，Probe 结合区外的第一个碱基，就是 SNP。这样，Probe 便通过分子杂交固定了 SNP，只要检测出结合区外的第一个碱基，就能知道该微珠的 Probe 对应的 SNP 分型了。
• Probe 序列刚好覆盖 SNP 位点。也就是说，存在 Probe 与目标 DNA 完全互补与 Probe 与目标 DNA 仅最后一个碱基不互补的情况。这样，在不互补时，下面马上提到的单核苷酸扩增便无法进行。

当 Probe 捕获目标 DNA 后，将使用带有标记的 dNTP 进行一个单核苷酸扩增，这将为 SNP 带上荧光标记，最后，通过激光扫描每个微珠的荧光信号，就能完成 SNP 分型了。

然而，Illumina 的荧光标记只用红和绿两种，这如何区分 ATCG 四种碱基呢？解释如下：

A、T 两种碱基是通过 DNP 标记的，在显色后，会产生红色荧光；C、G 两种碱基是通过生物素标记的，在显色后，会产生绿色荧光，那么，对于所有碱基的纯和、杂合情况，根据红色、绿色、混色，无色四种情况便可以对 SNP 进行分型了。