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蛋白質芯片

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蛋白芯片簡介

  蛋白質是生命活動的執行者和體現者,是生物體最主要的結構成分,催化劑 和信號轉導分子。一個蛋白質組不是一個基因組的直接產物,同一蛋白質可以多 種形式進行翻譯後修飾,蛋白質的數目遠超基因數目。蛋白質芯片提供了在同一 時相分析整個蛋白質組的可能。蛋白質芯片是一種微型化,高通量,可以多個樣 品平行分析的蛋白質組學技術,已成為生物學研究中的一個強有力的工具。

  蛋白質芯片也被稱之為蛋白質微陣列,其上固定著大量可尋址的蛋白質探針 (Chen and Zhu 2006; Zhu et al. 2001),蛋白質芯片具有微型化和多重平行分析 的特點。使用蛋白質芯片可以在一次實驗中僅消耗極少量樣品,即可實現對待分 析樣品中多種目標分子的同步檢測和分析。在蛋白質芯片發展的早期階段,有研 究者曾嚐試將來源於cDNA 蛋白質表達庫的細菌和細菌裂解物直接點製於尼龍 膜上以形成陣列並將此陣列用於蛋白質和蛋白質片斷的生物化學活性的篩選和 發現(Bussow et al. 1998; Lueking et al. 1999)。該做法並沒有得到廣泛的接受,其原因在於以下幾個方麵:目標蛋白質在印製於尼龍膜之前沒有進行任何有效的 純化,而是作為一個混合物而存在;由於蛋白質來源於cDNA 表達庫,許多蛋 白質可能隻是以片段而存在從而不能夠保有其生物學活性;cDNA 表達庫的另一 個關鍵的問題是總是存在大量的冗餘以及不能保證對所有目標蛋白質的有效覆 蓋。

  2000 年Science 報道,哈佛大學的MacBeath 和Schreiber(2000)將現有 的DNA 芯片的點樣及檢測技術應用到蛋白質芯片,將純化的蛋白質點至玻片上, 通過檢測多種已知的蛋白-蛋白、酶-底物及配體-適體的反應第一次係統地證明了 蛋白質芯片用於各類高通量研究的可行性,同時發現蛋白質芯片具有很高的靈敏 度及特異性。

  2001 年耶魯大學的Snyder 實驗室以朱衡博士領銜的研究小組在Science 雜 誌上報道了蛋白質芯片領域迄今為止最為引人注目的突破(Zhu et al. 2001),他 們成功地構建了全世界第一例蛋白質組芯片,該芯片涵括了模式生物釀酒酵母的 幾乎全部的蛋白質(5800 個不同的蛋白質)並將該芯片成功地應用於了鈣調蛋 白結合蛋白以及磷脂結合蛋白的發現。由於該芯片在蛋白質組學研究中有著傳統 方法所不可比擬的高通量優勢,在其誕生後極短的時間內便被成功的商業化並被 進一步應用於其他許多重要的生物學研究之中。人類蛋白質組芯片最早由美國約 翰霍普金斯大學開發(Zhu et al. 2001),經過不斷升級,目前含有19394 個人重 組蛋白,覆蓋70%的人類基因組ORF 區。重組蛋白采用酵母表達係統,逐個進 行表達與純化鑒定。在芯片上每個蛋白質均設置技術重複,並設有多種質控點, 確保實驗體係穩定可靠。是迄今為止最高通量人重組蛋白質組芯片。該芯片已應 用於多個研究領域,如血清圖譜構建、蛋白-蛋白相互作用和酶學研究等。

  蛋白質芯片的製作通常是采用標準的接觸式(MacBeath and Schreiber 2000; Zhu et al. 2001)或非接觸式芯片點樣儀將目的蛋白質點製於玻璃片之上,並通過 多種不同的化學方式而實現蛋白質的有效固定(Delehanty 2004; Delehanty and Ligler 2003; Joneset al. 1998)。目前有多種不同的基片可供選擇,常用的基片 包括通過隨機結合來固定蛋白質(Kusnezow et al. 2003; MacBeath and Schreiber2000)的醛基芯片,環氧基芯片,Fullmoon 芯片以及Schott 的NHS 芯片;通過擴散和吸附來固定蛋白質的纖維素膜包被芯片(Kramer et al. 2004;Stillman and Tonkinson 2000)以及凝膠包被芯片(Angenendt et al. 2002; Charles et al. 2004)以及通過親和結合來固定蛋白質的鎳包被芯片。已有的報道 表明鎳芯片相對於其他的以隨機方式固定蛋白質的芯片具有10 倍以上的檢測靈敏度。

  當蛋白質被固定在芯片上以後,它們可以被用於多種不同的功能和活性分 析。蛋白質芯片的反應信號通常是通過熒光或同位素標記來檢測和記錄。下圖所 示的是一個典型的酵母蛋白質組芯片。

  蛋白質芯片以其獨特的優勢已在高通量生物學研究中占據著越來越重要的 位置,起到了傳統技術所不可比擬的作用,並已成為蛋白質組學研究的關鍵技術 之一。蛋白質芯片技術的最新進展主要體現在關鍵技術的發展和新應用的開發兩 個方麵。關鍵技術的發展主要包括:①原核和真核基因的大規模克隆及表達庫的 構建;②高通量的蛋白質純化;③基片表麵化學的優化;④蛋白質芯片點樣係統 的改進和開發以及;⑤蛋白質芯片檢測新技術的開發。

  根據芯片上固定探針的類型以及應用目的的不同,通常可將蛋白質芯片主要 分為分析型和功能型蛋白質芯片兩大類。

  分析型蛋白質芯片上固定的探針主要是一些已知生物學功能,尤其是具有結 合特性的蛋白質分子,例如抗體,小肽-人主要組織相容性抗原(MHC)複合物 以及血凝素等,這類芯片已經被廣泛地應用於目的生物分子的多重檢測,包括檢 查蛋白質表達水平、細胞表麵標誌物和糖基化分析、臨床診斷和環境食品安全監 測等。抗體芯片是分析型蛋白質芯片的代表。

  與分析型蛋白質芯片不同,功能型蛋白質芯片將大量純化的蛋白質甚至是某 個物種的全部蛋白質點製在芯片基片上,由於該類芯片上的許多蛋白質的功能未 知或者是研究得不透徹,因此該類芯片可以進行發現性和探索性的研究,例如蛋 白質相互作用的研究,蛋白質生物化學活性的分析以及免疫反應的研究等。

  從其誕生之日至今,蛋白質芯片技術已經取得了長足的發展,新的蛋白質芯 片技術也在不斷地湧現之中。作為一種非常高效的研究平台,蛋白質芯片技術已 經被成功地應用於基礎生命科學研究以及醫學研究。隨著時間的推進,蛋白質芯 片技術必將會得到進一步地完善和發展,作為一種高效的高通量研究平台,蛋白 質芯片技術必將在生命科學研究以及醫學研究中扮演更為重要的角色。