微阵列资料分析(Microarray-Data-Analysis).pdf

微陣列資料分析(Microarray Data Analysis)
蔡政安副教授
前言
在人類基因體定序計劃的重要里程碑陸續完成之後，生命科學邁入了一個前所未有
的新時代，在人類染色體總長度約三十億個鹼基對中，約含有四萬個基因，這是生物學
家首次以這麼宏觀的視野來檢視生命現象，而醫***上的研究方針亦從此改觀，科學研究
從 此 正 式 進 入 後 基 因 體 時 代 。 微 陣 列 實 驗 (Microarray) 及 其 它 高 產 能 檢 測
(high-throughput screen) 技術的興起，無疑將成為本世紀的主流；微陣列實驗主要的優
勢再於能同時大量地、全面性地偵測上萬個基因表現量，透過基因晶片，可在短時間內
找出可能受疾病影響基因，作為早期診斷的生物指標(biomarker)。然而，由於這一類技
術的高度自動化、規模化及微型化的特性，使得他們所生成的資料量非常龐大且資料型
態比一般實驗數據更加複雜，因此，傳統統計分析方法已經不敷使用。在此同時，統計
學家並未在此重要時刻缺席，提出非常多新的統計理論和方法來分析微陣列實驗資料，
也廣受生物學家所使用。由於微陣列資料分析所牽涉的統計問題層面相當廣且深入，本
文僅針對整個實驗中所衍生的統計問題加以介紹，並介紹其中一些新的圖形工具用以呈
現分析結果。

基因晶片的原理
微陣列晶片即一般所謂的基因晶片，也是基因體計畫完成後衍生出來的產品，花費
成本雖高，但效用無限，是目前所有生物晶片中應用最廣的，由於近年來不斷改進，也
是最有成效的生物技術。一般而言，基因晶片是利用微處理技術，先把人類所有的基因
分別固著在一小範圍的玻璃片(glass slide)、薄膜(membrane)或者矽晶片上；然後，可以
平行地、大量地、全面性地偵測基因體中 mRNA 的量，也就是偵測基因的調控及相互
作用表現。目前微陣列晶片大致分為以下兩種平台(如圖一) : cDNA 晶片及高密度寡核
甘酸晶片(high-density oligonucleotide)，兩種系統無論在晶片的製程及樣本處理上
皆有相當的差異，因此在分析上也略有不同，以下便就晶片的特性約略介紹。
1. cDNA 晶片: 基本上晶片上的探針(probes)及準備進行雜合反應(hybridization)
的樣本(Targets)皆來自於 cDNA。正常及癌組織中萃取的 mRNA 經反轉錄後，
分別標上綠色(Cy3)和紅色(Cy5)螢光標記，並同時和晶片進行雜合反應，反
中國醫***大學 生物統計中心
應後經過雷射掃描器顯像，綠色螢光點表示正常組織的基因表現高於癌組
織；紅色螢光點表示癌組織的基因表現高於正常組織；當基因表現不變時，
即呈黃色螢光。經影像分析軟體可將影像強度轉換成數據資料，用以分析有
顯著差異表現之基因。
2. 高密度寡