蛋白質組學/蛋白質晶片

演示

蛋白質-蛋白質相互作用 蛋白質晶片 蛋白質組學和藥物發現 主題列表   蛋白質組學和藥物發現

 

介紹

介紹

透過顯微鏡觀察到的 DNA 微陣列。蛋白質晶片看起來相同，只是每個點對應於生物體數千種蛋白質中的一種，而不是其中的一種基因。點的強度表示蛋白質存在的量。

蛋白質晶片，也稱為蛋白質陣列或蛋白質微陣列，是根據DNA 微陣列模型構建的。DNA 微陣列在大規模基因組實驗中的成功促使研究人員開發類似的技術，以實現大規模、高通量的蛋白質組學實驗。蛋白質晶片使研究人員能夠快速、輕鬆地調查生物體中細胞的整個蛋白質組。它們還允許研究人員自動化和並行化蛋白質實驗。

蛋白質晶片最初由哈佛大學的研究人員於 2000 年開發。如今，有許多公司使用多種技術（包括點樣和凝膠方法）製造蛋白質晶片。可用的蛋白質晶片型別包括“晶片實驗室”、抗體陣列和抗原陣列，以及包含“替代捕獲劑”（如蛋白質、底物和核酸）的各種晶片。

蛋白質晶片分析面臨許多挑戰，包括動態蛋白質濃度、細胞蛋白質組中蛋白質數量眾多，以及對每種蛋白質探針的理解。步驟包括從晶片中讀取蛋白質水平，然後使用計算機軟體分析收集的大量資料。

蛋白質晶片實驗的應用包括識別疾病生物標誌物、研究蛋白質-蛋白質相互作用以及測試樣品中抗體是否存在。蛋白質晶片在癌症研究、醫學診斷、國土安全和蛋白質組學方面具有應用。

本章將展示蛋白質晶片為何正在改變蛋白質組學的面貌，以及它們將在未來產生更大的影響。

歷史

核酸微陣列

使用微陣列進行基因表達譜分析首次發表在 1995 年。這項技術使科學家能夠在一個實驗中分析數千個mRNA，以確定表達在疾病狀態下是否不同。不幸的是，細胞內的 mRNA 水平通常與實際蛋白質丰度之間關係不大。這可能是由於許多因素造成的，包括 mRNA 相對於蛋白質的降解速率以及轉錄後調控和修飾。直接測量蛋白質的量將繞過任何 mRNA 不一致，並提供基因功能的真實水平，然而傳統蛋白質表徵方法速度緩慢且繁瑣。這些綜合因素是建立蛋白質晶片的推動力。

傳統蛋白質表徵方法的不足

液相色譜/質譜 (LC/MS) 儀器。與蛋白質晶片相比，這種技術的通量較低，因為蛋白質晶片可以在單個實驗中在一個晶片上測試數千種蛋白質。

在蛋白質晶片出現之前，蛋白質測量和表徵是使用兩種不同的方法完成的：二維凝膠電泳與質譜聯用，以及液相色譜。這些方法可以在一次實驗中分離和視覺化大量的蛋白質，但是與蛋白質晶片相比，它們非常耗時。由於缺乏自動化，它們的流程通量非常低。可重複性也是一個因素，因為樣品處理量很大。需要發明一種更好的、更標準化、更高通量的蛋白質測量和表徵方法。

現代蛋白質晶片的前身

酶聯免疫吸附測定 (ELISA) 中使用的裝置和試劑，它是蛋白質晶片的前身。

免疫測定是蛋白質晶片的前身，自 1980 年代以來就已問世，它利用抗體和抗原之間的相互作用來檢測其在生物樣品中的濃度。然而，它們的建立既費時又昂貴。為了應對這一問題，哈佛大學的研究人員將免疫測定和 DNA 微陣列技術相結合，開發了蛋白質晶片。在他們於 2000 年發表的里程碑式論文“將蛋白質列印為微陣列以進行高通量功能測定”中，Gavin MacBeath 和 Stuart Schreiber 描述瞭如何建立蛋白質晶片，並展示了三類將從這項新技術中受益的應用。他們的方法的優勢是使用現成的材料（即玻璃載玻片、聚丙烯醯胺凝膠）、相對易於實施（機器人微陣列印表機）以及與標準儀器的相容性。

在過去的五年中，許多公司（包括Biacore、Invitrogen和Sigma-Aldrich）已開始生產工業級蛋白質陣列系統，這些系統可用於藥物發現和基礎生物學研究。商業實體使蛋白質晶片研究成為一個簡化的標準化過程，與 2000 年的最初階段相比，其水平與 DNA 微陣列相同。

學術研究在這些技術的發展和改進中發揮著重要作用。學術研究與 Affymetrix GeneChip 和人類基因組計劃等系統的合作促進了良性競爭，從而推動了技術進步。隨著更多開發的出現，人們對這些領域的理解更加深入，並鼓勵了更多研究。

Affymetrix是一家自 1992 年以來一直在製造名為 GeneChip 的微陣列的公司。他們在全球擁有 13 個辦事處，總部位於美國（加利福尼亞州）、英國、日本和中國。

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參考文獻

章節作者：Jonathan Keeling 和 Eric Foster
聯絡 jwk3970@rit.edu、edf3480@rit.edu、ttl5439@rit.edu