蛋白芯片技術(shù)解析

1、蛋白芯片技術(shù)解析人類(lèi)基因組測(cè)序計(jì)劃完成之后，科學(xué)家們憑借良好的DNA芯片及堅(jiān)實(shí)的生物信息學(xué)平臺(tái)可以全面地了解生命細(xì)胞系統(tǒng)。然而在不同的細(xì)胞生理狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)蛋白表達(dá)及蛋白的功能存在著差異，細(xì)胞蛋白質(zhì)組存在著差異。而且多種因素影響著細(xì)胞在不同環(huán)境下的生理狀態(tài)，比如，細(xì)胞信號(hào)分子，細(xì)胞間及細(xì)胞與基質(zhì)的相互作用等等。細(xì)胞內(nèi)調(diào)控通過(guò)調(diào)節(jié)mRNA轉(zhuǎn)錄水平，蛋白表達(dá)水平，以及蛋白的修飾與定位，控制著蛋白的功能，決定著細(xì)胞生理狀態(tài)。 在這種情況下，一些實(shí)驗(yàn)技術(shù)已被用來(lái)進(jìn)行生命細(xì)胞系統(tǒng)中蛋白成分的分析研究。然而這些技術(shù)還不能進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)高度復(fù)雜且高度動(dòng)態(tài)變化（變化范圍達(dá)107級(jí)）的蛋白表達(dá)的研究。如今被廣泛應(yīng)用

2、的可同時(shí)檢測(cè)大量蛋白成分的分析技術(shù)是二維凝膠電泳（2D-PAGE）。但其面臨著諸多的檢測(cè)缺陷，比如：較弱的樣品檢測(cè)結(jié)果，較窄的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍以及不能對(duì)疏水、極酸或極堿的小蛋白分子進(jìn)行檢測(cè)分析等等。作為二維凝膠電泳（2D-PAGE）的替代方法，多層色譜分析方法被用于分離蛋白樣品成分，降低樣品中復(fù)雜物質(zhì)的含量，以進(jìn)行大規(guī)模色譜蛋白鑒別分析。這項(xiàng)分析方法包括了多層蛋白識(shí)別技術(shù)和多種親和捕捉色譜法，如：同位素親和標(biāo)記和金屬螯合物親和標(biāo)記等。 雖然蛋白質(zhì)組的分析技術(shù)有了巨大發(fā)展，一種新的能全面進(jìn)行蛋白質(zhì)組研究的技術(shù)是相當(dāng)有必要的。芯片技術(shù)恰能很好地滿足進(jìn)行蛋白質(zhì)組全面研究的要求，它具有強(qiáng)大的監(jiān)視細(xì)胞內(nèi)基因

3、表達(dá)，研究蛋白與大量潛在相關(guān)分子相互作用的功能。 從DNA芯片到蛋白芯片 蛋白芯片是指將大量蛋白質(zhì)分子按預(yù)先設(shè)置的排列固定于一種載體表面行成微陣列，根據(jù)蛋白質(zhì)分子間特異性結(jié)合的原理，構(gòu)建微流體生物化學(xué)分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測(cè)。 雖然早在上世紀(jì)80年代早期Roger Ekin在他的環(huán)境物質(zhì)理論中描述了蛋白芯片的技術(shù)原理，但直到基因組和蛋白組研究領(lǐng)域中取得顯著成就后微芯片檢測(cè)技術(shù)才得到了極大的關(guān)注。只需在一個(gè)平面上進(jìn)行一次試驗(yàn)，就可對(duì)上千個(gè)細(xì)胞生物學(xué)參數(shù)實(shí)施測(cè)定的可能性，為建立蛋白質(zhì)組全面檢測(cè)分析工具提供了完美的解決方案。DNA芯片具有良好的雜交系統(tǒng)，能通過(guò)一次反應(yīng)試

4、驗(yàn)分析出細(xì)胞的全部轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)。由于細(xì)胞內(nèi)的mRNA和蛋白質(zhì)沒(méi)有絕對(duì)的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，要解決基因組和蛋白質(zhì)組研究之間的差異問(wèn)題需要有其它可以直接分析檢測(cè)蛋白特性的高通量技術(shù)。在過(guò)去的幾年中，不同的高通量分析檢測(cè)技術(shù)平臺(tái)已經(jīng)建立，而且微芯片技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)超出了DNA芯片技術(shù)，基于大量不同樣品的蛋白芯片檢測(cè)已有了相關(guān)報(bào)道。 蛋白芯片基本原理： 蛋白芯片與基因芯片的原理相似。不同之處有，一是芯片上固定的分子是蛋白質(zhì)如抗原或抗體等。其二，檢測(cè)的原理是依據(jù)蛋白分子、蛋白與核酸、蛋白與其它分子的相互作用。蛋白芯片應(yīng)用：蛋白芯片檢測(cè)蛋白芯片檢測(cè)技術(shù)按照模式和應(yīng)用的不同可以分為：正相和反相檢測(cè)技術(shù)。目前廣泛使用的是

5、正相蛋白芯片分析技術(shù)，它利用不同樣品與固定在芯片上的大量已知捕捉分子的相互作用，來(lái)同時(shí)進(jìn)行多參數(shù)的檢測(cè)分析。這項(xiàng)技術(shù)包括了用于識(shí)別和定量目標(biāo)蛋白的抗體芯片技術(shù)和用于分析蛋白和固定結(jié)合分子相互作用的蛋白親和檢測(cè)技術(shù)，常用的固定結(jié)合分子有蛋白質(zhì)、肽、低分子量復(fù)合物、寡糖和DNA等。反相蛋白芯片是在蛋白質(zhì)芯片技術(shù)領(lǐng)域中剛剛發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)。它通過(guò)把樣品以距陣的方式固定在固體支持物上，用單個(gè)可溶的探針，如抗體，用于分析檢測(cè)在不同的樣品點(diǎn)中目的蛋白的存在與否，可用于大量組織樣品、細(xì)胞樣品或細(xì)胞樣品碎片的不同種類(lèi)參數(shù)的檢測(cè)。在蛋白芯片技術(shù)領(lǐng)域中一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃是進(jìn)行基于芯片的蛋白質(zhì)組學(xué)研究，即建立起蛋

6、白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)，來(lái)做為先進(jìn)的DNA芯片檢測(cè)技術(shù)的補(bǔ)充。然而具有高度專(zhuān)一檢測(cè)能力的芯片設(shè)計(jì)和制造的先決條件是獲取芯片中的專(zhuān)一性捕捉物質(zhì)。由于DNA芯片中有多種捕獲分子的分析制備系統(tǒng)，這個(gè)先決問(wèn)題能夠輕易地解決。DNA是一種均一性很高的分子，單鏈的DNA依據(jù)堿基配對(duì)原理可與其互補(bǔ)DNA鏈配對(duì)結(jié)合。依據(jù)目的DNA的最初序列，科學(xué)家可以輕易的推測(cè)出具有高度選擇性和特異性的DNA捕捉序列。此外，高通量的寡核苷酸合成儀及基因擴(kuò)增（PCR）方法能夠快速方便的得到DNA捕捉分子。因此，捕捉分子的分析設(shè)計(jì)和DNA芯片的制造技術(shù)是非常直接明了的。與DNA芯片相比，蛋白質(zhì)芯片卻沒(méi)有這么容易制作?？茖W(xué)家們僅從蛋白一

7、級(jí)序列結(jié)構(gòu)出發(fā)很難預(yù)測(cè)出其具有高親和力的捕捉分子。這是因?yàn)榈鞍椎母呒?jí)結(jié)構(gòu)是多樣的，與捕捉分子有多種可能的相互作用模式，而且蛋白與捕捉分子的相互作用是通過(guò)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)的靜電力、氫鍵、疏水的范德華力，以及這三種力的聯(lián)合作用而產(chǎn)生的。此外，蛋白質(zhì)可以同時(shí)和不同分子結(jié)合發(fā)生作用，形成復(fù)合物，加之胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄后動(dòng)態(tài)的修飾過(guò)程（如：糖基化和磷酸化）可對(duì)蛋白相互作用產(chǎn)生重大影響使得蛋白質(zhì)芯片的制作就更難了。因此，每一種蛋白捕捉分子必須單獨(dú)制備出來(lái)，所獲得的捕捉分子不僅需要具有親和力強(qiáng)的特點(diǎn)還需要有選擇性強(qiáng)且交叉反應(yīng)性低的特點(diǎn)。在蛋白質(zhì)研究中沒(méi)有類(lèi)似基因擴(kuò)增（PCR）來(lái)進(jìn)行蛋白擴(kuò)增的技術(shù)，因此在制作蛋白質(zhì)芯片的道路上必須克服的第一個(gè)障礙就是快速，低成本，大量地制備出高度專(zhuān)一性和高親和力的蛋白捕捉分子。此外還要保證被固定的蛋白分子的功能保持不變，這個(gè)問(wèn)題也并不容易解決。把蛋白分子固定在片基上而不損壞它們的高級(jí)結(jié)構(gòu)，這比把寡核苷酸或DNA片段固定在片基上要困難得多。然而這些難題已經(jīng)部分或完全的得到了解決。通過(guò)優(yōu)化固體片基的表面，改進(jìn)蛋白標(biāo)記技術(shù)，可以使具有功能狀態(tài)的蛋白質(zhì)被固定；通過(guò)重組蛋白及捕捉分子的大量生產(chǎn)制備有效地拓寬了高度專(zhuān)一性和選擇性捕捉分子的獲取瓶頸。這些技術(shù)成果使得蛋白芯片技術(shù)能夠成功地應(yīng)用在高通量的檢測(cè)分析當(dāng)中，畢竟第一個(gè)