维普资讯 http://www.cqvip.com 第29卷 第3期 Vl01.29 NO.3 临沂师范学院学报 Journal of Linyi Normal University 2007年6月 Jun.2007 蛋白质芯片的研究与应用 黄 啸 (中国药科大学生命科学与技术学院,江苏南京210009) 摘要:蛋白质芯片是一种新型的用于蛋白质研究及相互作用分析的生物芯片,这种高通量技术提供 了在同一时间分析各个蛋白质组的可能性,是蛋白质组学时代最有启发意义的技术工具.本文主要从蛋 白质芯片的特点、分类、原理、应用及前景等方面对蛋白质芯片进行综述. 关键词:蛋白质芯片;分类;原理;制作流程;应用前景. 中图分类号:Q7;R392.11 文献标识码:A 文章编号:1009—6051(2007)03—0049—06 后基因组时代着重于从整体角度系统分析生物体的功能机制.蛋白质芯片是一种高通量的蛋白 功能分析技术,具有平行、快速、自动化监测、识别或纯化蛋白质的功能.它用于构建蛋白质表达 谱,进行抗原一抗体筛选,药物靶点筛选,蛋白质一蛋白质交互作用筛选等,是对蛋白质组进行分 析的新技术,可广泛应用在医学、生物学、食品安全检测、法医学、环境监测等领域. 1蛋白质芯片的定义和特点 1.1蛋白质芯片的产生背景 1.1.1后基因组时代 伴随着人类基因组计划的顺利实施,人类基因组序列草图的完成代表着一个全新的纪元一“后 基因组时代”的到来.我们也正在经历一个从单个基因功能的研究转变为从整体角度的高通量地、 系统地进行基因组功能的研究.于是,出现了高通量技术(high throughputtechnique),它可以同时研 究大量基因及其表达产物,具有信息量大、自动化、多层次、高效率的优点,满足了在同一时间平行 分析生物系统多种功能基因的表达谱的需要.高通量技术主要包括微阵列(microarray)或生物芯片 (biochip)技术. 1.1.2蛋白质组学的发展 蛋白质本身有其特殊的活动规律,随着生命活动的进程表现出动态的紧密协调变化;蛋白质在 合成后具有相对独立的修饰、运转和相互作用能力;同时还具有对外界因素发生反应的能力.况且 基因的主要功能也是通过其表达产物一蛋白质来实现的. 传统的对单个蛋白质进行研究的方式已经无法满足后基因组时代的要求.这是因为:①生物现 象的发生往往是受多种因素影响的,必然涉及多种蛋白质;②多个蛋白质之间的相互作用是交织成 网络的,或平行发生,或呈不同级结构间的交互因果关系;③在执行生理功能时,蛋白质的表现是多 样的、动态的,并不像基因组那样基本不变.要对生命的复杂程度有全面和深入的认识,必须要在整 体、动态、网络的水平上对蛋白质进行研究. 蛋白质组(Proteome)的概念是由澳大利亚学者Wilkins和Williams等人【11 ]于1994年提出,指全 部基因表达的全部蛋白质及其存在方式,是一种细胞、组织或完整生物体在特定时空上所拥有的全 套蛋白质l3,41.早期蛋白质组学的研究范围主要是指蛋白质的表达模式(Expression profile),随着学科 收稿日期:2007—03—22 作者简介:黄啸(1986-),女,山东日照人,中国药科大学学生 维普资讯 http://www.cqvip.com 50 临沂师范学院学报 第29卷 的发展,蛋白质组学的研究范围也在不断完善和扩充.蛋白质翻译后修饰研究已成为蛋白质组研究 中的重要部分和巨大挑战,蛋白质问相互作用的研究也已被纳入蛋白质组学的研究范畴[51. 1.1.3传统技术的改造和新技术的产生 蛋白质研究技术远比单纯基因技术复杂和困难.不仅仅是因为氨基酸残基种类远多于核苷酸残 基(20/4),而且蛋白质有着复杂的翻译后修饰,如磷酸化和糖基化等才能成为有功能活性的蛋白质, 而且蛋白质的变化多,使分离和分析蛋白质的难度增大.此外,通过表达载体进行蛋白质的体外扩 增和纯化制备大量的蛋白质并非易事.因此,发展高通量、高灵敏度、高准确性的研究技术平台是现 在乃至今后一段时间内蛋白质组学研究的主要任务. 当前国际蛋白质组研究技术平台发展趋势表现在以下几个方面:①样品的制备和分级技术;② 样品分离分析技术;③灵敏的检验方法;④蛋白质组生物信息学及蛋白质组数据库检索. 1.2蛋白质芯片的定义 蛋白质芯片(protein chip),狭义的表达是蛋白质微阵列(protein microarray),是用于蛋白质功能 研究及相互作用分析的生物芯片,采用原位合成、机械点样或者共价结合等方法将多肽、蛋白、酶、 抗原、抗体固定于硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质上形成的生物分子点阵.待分析 样品中的生物分子与蛋白质芯片的探针分子发生杂交或相互作用或其他分离方式分离后,利用激光 共聚焦显微扫描仪对杂交信号进行高通量检测和分析,是将整个蛋白质水平的相关生化分析过程集 成于芯片表面,从而实现对多肽、蛋白质及其他生物成分进行高通量检测.最早进行蛋白质芯片研 究的是德国科学家Lueking[6, . 1.3蛋白质芯片的特点 蛋白质芯片的特点为:①高通量,高效率;②蛋白质芯片是一个动态的技术流程概念,不局限于 某个固相有形物;③适用于包括组织、细胞系、体液在内的多种生物样品;④芯片上的样品包含针 对信号传导、癌症、细胞周期调控、细胞结构、凋亡和神经生物学等广泛的生物功能的相关蛋白,跨 度大、适用范围广;⑤芯片上的结合物分别经过不同的方法检测,灵敏度高达pg/ml;⑧开放性的芯 片平台设计,可以用各种型号的DNA芯片扫描仪进行检测.综合上述特点,决定了蛋白质芯片有着 广泛的应用潜力和前景. 2蛋白质芯片的分类 蛋白质芯片按照不同的标准可进行不同的分类: 2.1按照样品的结合方式分为化学型和生物化学型 化学型蛋白质芯片来源于经典色谱(反相层析、离子交换层系、金属螯合层析等)的介质.通过 介质的疏水力、静电力、共价键等结合样品中的蛋白质,然后经特定的洗脱液除去杂质蛋白质,从而 保留目标蛋白质【81.这种芯片的特异性较差,但是目前仍占已商品化并得到广泛使用的蛋白质芯片 的大部分. 生物化学型蛋白质芯片把生物活性分子(如抗体、受体、配体等)通过生化反应结合到芯片表 面,用于捕获样品中的靶蛋白.这种芯片具有高度的特异性及生物活性分子的多样性,其应用范围 和前景明显优于化学性蛋白质芯片.但由于蛋白质比DNA难合成,更难于在固相支持物表面合成, 且定位于固相载体表面的蛋白质容易因空间构象的改变而失活,造成了该类芯片的开发应用与商品 化落后于化学型芯片. 2.2按点样蛋白质有无活性功能分为无活性的和活性芯片 无活性的芯片是将已经合成好的蛋白质点在芯片上.其制作方式主要分为原位合成、点合成、光 蚀刻术三类. 有活性的芯片是指点在芯片上的样品是活的生物体(如细菌),在芯片上原位表达蛋白质.相对 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 黄啸:蛋白质芯片的研究与应用 5l 于无活性的芯片,有活性的芯片可以提供模拟的机体内环境,对于蛋白质功能分析更为有利. 2-3按作用和点样的顺序分为蛋白质表达芯片(PEC)和蛋白质功能芯片(PFC) PEC能令人通过观察在不同条件下哪种蛋白质被合成而获得基因表达的详细信息.PEC的目标 与DNA芯片相类似,它将大量检测用的分子(常用抗体)固着在芯片表面而进行微阵列式排列,故 加样后就能查明样品中有无这些分子的靶标.特别是当与较传统的蛋白质功能分子和以核酸为基础 的基因表达分析技术综合应用时,其优势将会更明显地体现.主要用于蛋白质功能的研究. PFC与PEC都需要有大量不同分子在芯片表面各分散的点上固着,随后加样进行检测.不同的 是,PFC能分析众多蛋白质的性质.PFC表面上固着的是待测蛋白质分子,随后再用其他蛋白质、药 物和生化试剂来检测各待测分子与它们结合的情况并了解其性质.主要用于蛋白质的定性、定量测 定. 2.4按载体的不同进行分类 蛋白质芯片可以分为普通玻璃载体芯片、多孔凝胶覆盖芯片、微孔芯片等.[9] 2.5按检测方法进行分类 较有代表性的有单元芯片、中科院力学所得多元蛋白质光学芯片和美国SELDI质谱芯片等.它 们的差异仅仅在探测方法不同.BLACORE技术利用表面等离子体共振技术检测芯片,进行单一蛋白 质检测;多元蛋白质光学芯片是光学成像法,可以同时检测多种混合的蛋白质;SELDI技术则是采用 质谱法,以时间顺序检测序列蛋白质. 2.6按工作原理分为探针型和凝胶电泳型芯片 探针型类似于DNA芯片,即在固相支持物表面高度排列的探针蛋白质点阵,可特异捕获样品中 的靶蛋白,然后通过检测器对靶蛋白进行定性或定量的分析.凝胶电泳型是在电场作用下,样品中 的蛋白质通过芯片的孔道分离开来,经过喷雾直接进入质谱进行检测,以确定样品中的蛋白质分子 量及种类. 3蛋白质芯片的原理 蛋白芯片技术的研究对象是蛋白质,其原理是对固相载体进行特殊的化学处理,再将已知的蛋 白质分子固定其上(如酶、抗原、抗体、受体、配体、细胞因子等),根据这些生物分子的特性,捕获 能与之特异性结合的待测蛋白(存在于血清、血浆、淋巴、间质液、尿液、渗出液、细胞溶解液、分 泌液等),经洗涤、纯化,再进行确认和生化分析.它为获得重要生命信息提供有力的技术支持U0]. 4蛋白质芯片的制作和检测流程 蛋白质芯片的制作,常规方法是先在一种固相载体上按照预先设计的方式固定大量蛋白质(抗 原或抗体),形成蛋白质的阵列,即蛋白质芯片.实验时,往芯片上加入带有特殊标记的蛋白质分子 (抗体或抗原),两者结合后,通过对标记物的检测来实现对抗原或抗体确定的互检. 常规的蛋白质芯片制作和检测流程: 4.1制备抗体文库 4.2选择固相载体片基 片基呈薄片状,外观可做成长条状、圆形或椭圆形等不同形状,经特殊处理后承载吸附有关的 生物制剂.常用的材质有硅、云母、各种膜片等. 4.3制备探针蛋白质,点样 对蛋白质芯片来说,探针包括特定蛋白质的抗体或受体,结合某种阳离子或阴离子的化学基团、 亲水或疏水物质、酶、免疫复合物等,用化学固定技术固定在载体表面上,形成一个点状芯池(一个 芯池指一个蛋白质样品加入孔).单克隆抗体具有高度的特异性和亲和性,是一种比较好的探针蛋 维普资讯 http://www.cqvip.com 52 临沂师范学院学报 第29卷 白,其制作的芯片主要用于检测蛋白质表达丰度及确定新的蛋白质.噬菌体抗体库技术是典型的制 备蛋白质探针的技术,其他的蛋白质文库,如噬菌体肽库、噬菌体表达文库等,也可以用来制备探针 蛋白. 在将蛋白质固定在固体支持物表面时,必须保持蛋白质的立体构象,才能使蛋白质探针具有生 物活性.化学生物学家MacBeach G和化学家Schreiber S联手解决使蛋白质黏附于固相载玻片上而保 持生物活性这一关键技术突破之后,才真正使印迹蛋白微点阵用于高通量功能研究成为现实. 制备探针蛋白时常采用直接点样法,以避免蛋白质的空间结构改变,保持它和样品的特异性结 合能力.现在已有预制好已知多种芯片系统出售.根据测定目的不同,可选用含有不同探针的芯片. 让标本在每个芯池中与特定的探针结合或与其中含有的生物制剂相互作用一段时间,然后洗去未结 合的或多余的物质,将样品固定一下等待检测即可. 4.4制备待测样品(蛋白质、多肽、酶等) 4.5对样品进行标记 以质谱技术为基础的直接检测法不需标记,标记样品中的蛋白质主要是为随后采用CCD照相技 术及激光扫描系统等对信号检测准备,标记物主要是荧光物质或同位素. 4.6与芯片进行抗原抗体反应 主要是酶联免疫吸附(ELISA),再经过洗脱,只有与芯片上的抗体发生反应的蛋白质能粘在芯 片表面. 4.7蛋白质的分类和检测 蛋白质检测所使用的方法主要是在质谱(MS)分析的基础上发展起来的新技术,常用且比较成 熟的有基质辅助的激光解吸附电离化飞行时间质谱(MALDI.TOF.MS),以及在它基础上改进实行的 表面加强的激光解析电离化飞行时间质谱(SALDI.TOF.MS).整个测定过程只需要几十分钟就可以 全部完成,且方法敏感,特异性高,同时不会破坏所测定的蛋白质. 此外,其它的方法还有原子力显微镜对测定物进行表面扫描,激光捕获显微解剖技术以及激光 共振能量转换等,所有这些技术均是用来了解分析物种目标蛋白的结合变化情况. 目前的发展趋势是将各种微泵、微阀、微流路、微电泳技术运用到芯片上,以提高其分析检测的 速度和灵敏度. 4.8阅读结果,分析每一点的反应强度 5蛋白质芯片相关技术及问题 基因芯片、抗体芯片、寡核苷酸芯片、组织芯片、蛋白质光学芯片、微流体芯片、生物传感器等, 都是与蛋白质芯片相关的热门技术.它们从不同方面体现了蛋白质芯片的技术发展,但是也从各个 角度反映了蛋白质芯片的技术问题.如:在蛋白质芯片制造过程中,使用化学药品、加热或干燥等将 影响蛋白质的折叠型和立体构象,从而影响芯片的质量;制备高质量的芯片还需要得到荧光标记的 蛋白质样品,现在这个技术还不成熟,不能得到较高水平的荧光标记样品等. 6蛋白质芯片的应用 6.1基础研究方面的应用 6.1.1蛋白质研究方面的应用 Thulasiraman等…】利用蛋白质芯片技术对两种生理状态下的鼠疫耶尔森菌蛋白质表达谱进行了 比较.他们将鼠疫耶尔森菌细胞在两种温度26℃(虱类生理温度)和37℃(哺乳类生理温度)无 钙条件下培养.从两种鼠疫杆菌中分别提取了10mg细胞裂解产物,然后用强阴离子交换层析芯片 (SAX.2)和金属螯合铜(IMAC.CU)蛋白质芯片进行检测.对它们进行分析,发现有两种蛋白质在37 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 黄啸:蛋白质芯片的研究与应用 53 ℃时表达增强,经过纯化和质谱分析仪分析,两种蛋白质分别是14.9 kD的抗原4和78.8 kD的过氧 化氢酶/过氧化物酶蛋白. ‘ 6.1.2 DNA~蛋白质相互作用研究 Forde等报道,一种全新的用于筛查结合到启动DNA序列的转录因子的方法已经建成,该方法 用生物化学表面芯片(PS20),以DNA作诱饵,结合特异蛋白质,用MS法作检测.另外,Forde等对 DNA芯片亲和捕获特征性转录因子及在细胞的调节网络中筛查差异蛋白的应用作了详细论述.[121 6.1.3 mRNA一蛋白质相互作用研究 美国Duke大学医学中心Tenenbaum等报道,通过mRNA转录与RNA结合蛋白质的内在联系建立 了一种高通量的方法,用于鉴定在结构上和功能上有关的mRNA转录.它们还进行了一系列生物化 学技术来进行核酸蛋白质组表达指纹图谱的有关工作,即纯化内源性mRNA一蛋白质复合体和SELD1 分析技术鉴定多种mRNA靶向的方法.[131 6.2临床方面的应用 蛋白质芯片技术在临床方面有着广泛的应用,尤其是在疾病的诊断和疗效判定,即生物学标志 物的检测上,蛋白质芯片技术具有很大的应用价值和前景. 6.2.1老年痴呆方面的研究 应用生物化学蛋白质芯片与A 相关抗体结合.定量检测A 肽的技术已被广泛应用在AD的研 究之中[141.A 肽含39_43个氨基酸残端,目前它被公认为是人脑产生神经系统退行性改变的标志物 可导致基因突变并且能够毒害神经细胞.应用蛋白质芯片这种检测方法具有相当高的敏感性和极微 量的定量分析能力,所需样品中只要有几个有相关改变的细胞就能检测出来,实验在1周内即可完 成,对早期病变的快速检出具有重大的临床意义,比传统的检测技术先进得多. 6.2.2肿瘤学方面的研究 有研究报道50%的乳腺癌、56%的前列腺癌、35%的结肠癌在转移前用常用方法难以检测.因 此,用高灵敏度的蛋白质芯片技术寻找新的肿瘤标记物用于早期诊断和监测治疗效果,已成为临床 医学研究的一项热门趋向. Rosty等利用蛋白质芯片和SELDI技术对胰腺癌患者(15例)的胰液和患其它胰腺疾病(7例)的 胰液进行了比较.结果在10例(67%)胰腺癌患者和1例(17%)其它胰腺疾病患者的胰液中发现一 个大约为16.57kD的蛋白质峰.经过蛋白质芯片免疫测定,确定该蛋白质为肝癌一小肠一胰腺/胰 腺炎相关蛋白I(HIP/PAP—I).HIP/I在胰腺癌患者的胰液及血清中的表达量明显高于正常人或其他胰 腺疾病患者,并且胰液表达量上的差异较血清更为显著.这提示我们,通过对胰液中HIP/PAP.I的检 测将有助于胰腺癌的诊断.[151 6.3瓤药研制方面的应用 研制一种新药往往要对上千种化合物进行筛选.低耗、快速、高效地筛选出新药或待选化合物 是目前新药开发工作的重中之重.蛋白质芯片高通量、并行性的特点,大大地加快了化合物的筛选 速度.通过蛋白芯片观察由于暴露于药物而诱导的基因表达谱,从而能在药物开发的早期阶段进行 各种正确的毒理学检测.毒理学是由于药物与特定的蛋白质之间的相互作用所致,一旦该蛋白被鉴 定出来,就可以将它阵列在芯片上,然后用各种待选化合物同时与之反应,观察每一种待选化合物 与芯片的反应情况,来筛选感兴趣的化合物. 此外蛋白质芯片技术还对中药现代化有巨大作用.将中药药性、功效于特定疾病的基因表达调 控相关联,在分子水平上诠释传统的中药理论和作用机制,将对我国中药资源的发展影响深远. 7蛋白质芯片技术的前景展望 基因组测序、生物信息学以及分析仪器的迅速发胀,开拓了蛋白质组的领域.随着功能基因组 维普资讯 http://www.cqvip.com 临沂师范学院学报 第29卷 时代的到来,蛋白质芯片技术日益蓬勃.微加工技术、纳米技术和计算机技术等的发展,蛋白质芯片 存在的问题将会逐步得到解决. 蛋白质芯片技术不仅对认识错综复杂的人类基因组,对疾病的早期诊断和疗效监测等产生巨大 的推动作用,而且在其他相关领域如环境保护、食品卫生、生物工程、工业制药等方面也将具有广 阔的发展前景.特别是2l世纪以研究蛋白质功能为重点的后基因组时代已拉开序幕,蛋白质芯片技 术将从根本上改变生物学和生物技术的观点和效率,为生命科学的探索和发展做出卓越贡献. 参考文献 [1]李林.蛋白质组学的进展[J].生物化学与生物物理进展,2000,27(3):227-231. 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