Mikromacierz DNA, chip DNA (ang. DNA microarray), płytka szklana lub plastikowa z naniesionymi w regularnych pozycjach mikroskopowej wielkości polami (ang. spots), zawierającymi różniące się od siebie sekwencją fragmenty DNA. Fragmenty te są sondami, które wykrywają przez hybrydyzację komplementarne do siebie cząsteczki DNA lub RNA.
Różnego typu mikromacierze mają wiele zastosowań, z których najczęstsze to badanie ekspresji genów. Dzięki miniaturyzacji możliwe jest jednoczesne badanie wielu genów w próbce. Na powierzchni kilku cm2, w mikrometrowych odstępach, umieszczone są sondy pozwalające badać ekspresję nawet kilkudziesięciu tysięcy sekwencji jednocześnie.
Podobny format (bardzo wiele różnych odczynników testujących na niewielkiej powierzchni) do mikromacierzy DNA maja inne mikromacierze stosowane w badaniach biologicznych, medycznych i chemicznych (mikromacierze tkankowe, białkowe, przeciwciał, związków chemicznych).
Ze względu na budowę sond:
mikromacierze do badania ekspresji genów
mikromacierze do badania sekwencji genów (genotypowania)
Podstawą działania mikromacierzy jest tak, jak w tradycyjnej hybrydyzacji Southerna, komplementarność kwasów nukleinowych. Mikromacierz zawiera sekwencje komplementarne do badanych sekwencji. Próbkę kwasu nukleinowego wyznakowuje się (jednym lub dwoma znacznikami fluorescencyjnymi) i hybrydyzuje z mikromacierzą. Cząsteczki wyznakowanego kwasu nukleinowego wiążą się do komplementarnych sekwencji. Obraz zczytuje się ilościowo (za pomocą lasera lub mikroskopu). Intensywność sygnału dla poszczególnych sond mikromacierzy jest proporcjonalna do ilości kwasu nukleinowego o danej sekwencji w próbce.
Intensywność sygnału dla pojedynczej sondy zależy również siły wiązania kwasu nukleinowego z sondą, charakterystycznej dla danej sekwencji sondy. W związku z tym ilościowo można porównywać jedynie sygnał dla tej samej sondy w różnych próbkach, natomiast porównywanie sygnału dla dwóch różnych sond jest nieuprawnione.
Dla mikromacierzy cDNA informację o względnej sile sygnału w dwóch próbkach otrzymuje się bezpośrednio z doświadczenia, gdyż z jedną mikromacierzą hybrydyzuje się dwie próbki, wyznakowane znacznikami o różnych kolorach. Dla mikromacierzy oligonukleotydowych wynik otrzymuje się w postaci bezwzględnej (każda mikromacierz mierzona osobno), ale zastrzeżenie o nieporównywaniu sygnału między sondami nadal obowiązuje.
Z mikromacierzami DNA hybrydyzuje się cDNA zsyntetyzowany na matrycy badanego RNA, cRNA uzyskany na podstawie cDNA lub DNA (dla mikromacierzy genotypujących).
synteza cDNA na matrycy wyizolowanego RNA
synteza wyznakowanego cRNA na podstawie cDNA (lub wyznakowanie cDNA)
odpłukanie niespecyficznie związanych substancji
skanowanie obrazu mikromacierzy
przekształcenie obrazu w zbiór danych wartości ekspresji dla każdej sondy
Mikromacierze wytwarza się nanosząc na płytkę gotowe sondy lub syntetyzując je in situ. Pierwszą metodą produkuje się mikromacierze cDNA i można ją stosować do mikromacierzy oligonukleotydowych. Sondy przygotowuje się np. metodą PCR. Druga metoda służy wytwarzaniu mikromacierzy składajacych się z krótkich oligonukleotydów.
Dane z mikromacierzy trzeba poddać wstępnej obróbce. Składają się nań:
Analiza zeskanowanego obrazu - obliczenie intensywności sygnału dla każdej sondy
Odjęcie sygnału tła
Normalizacja danych - modyfikacja wartości ekspresji w celu dostosowania do całości eksperymentu lub do zamierzonego rozkładu, niezbędna dla porównywania intensywności między macierzami
Sumaryzacja danych - w macierzach oligo - podsumowanie wartości dla grup sond (ang. probeset). Może być wykonywane dla każdej grupy sond osobno (np. metoda MAS5) lub za pomocą globalnego modelu dla całego doświadczenia (np. metody RMA, plier)
Problemy z analizą danych z mikromacierzy polegają na ogromnej liczbie sond i badanych genów (zazwyczaj ok. 10-30 tysięcy transkryptów, macierze eksonowe w 2006 r. zawierają 6 milionów sond). Jednocześnie liczba mikromacierzy użytych w eksperymencie jest stosunkowo nieduża (kilka - kilkadziesiąt).
Wynikowy zbiór danych poddaje się analizom, których metodologia wywodzi się ze statystyki i eksploracji danych. Zbiór danych z mikromacierzy ma małą liczbę równoległych obserwacji ( pojedynczych mikromacierzy), ale pomiary wykonywane są dla ogromnej liczby sond - odpowiada to jednoczesnemu testowaniu tejże liczby hipotez.
Metody obliczeniowe stosowane dla mikromacierzy pozwalają na takie analizy, jak:
analiza zmian ekspresji w czasie
klasyfikacja i grupowanie genów ze względu na profil ekspresji w próbkach (np. geny eksprymowane w tkance zdrowej i nowotworowej)
klasyfikacja i grupowanie próbek ze względu na profil ekspresji genów (np. odróżnianie podtypów nowotworu)
QF-PCR (ilościowy, fluorescencyjny PCR):
Fragmenty DNA (powtórzenia mikrosatelitarne) podlegają amplifikacji, znakowaniu fluorescencyjnemu a ilość kopii mierzona jest podczas rozdziału elektroforetycznego
Umożliwia szybką detekcje aneuploidii chromosomowych wykorzystaniem DNA wyizolowanego z amniocytów lub komórek kosmówki
Technika ta umożliwia również identyfikacje przypadków disomii jednorodzicielskiej (UPD)
