蛋白芯片技术解析

蛋白芯片技术解析

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人类基因组测序计划完成之后，科学家们凭借良好的DNA芯片及坚实的生物信息学平台可以全面地了解生命细胞系统。然而在不同的细胞生理

状态下，细胞内蛋白表达及蛋白的功能存在着差异，细胞蛋白质组存在着差异。而且多种因素影响着细胞在不同环境下的生理状态，比如，细胞信号分子，细胞间及细胞与基质的相互作用等等。细胞内调控通过调节mRNA转录水平，蛋白表达水平，以及蛋白的修饰与定位，控制着蛋白的功能，决定着细胞生理状态。

在这种情况下，一些实验技术已被用来进行生命细胞系统中蛋白成分的分析研究。然而这些技术还不能进行细胞内高度复杂且高度动态变化（变化范围达107级）的蛋白表达的研究。如今被广泛应用的可同时检测大量蛋白成分的分析技术是二维凝胶电泳（2D-PAGE）。但其面临着诸多的检测缺陷，比如：较弱的样品检测结果，较窄的动态检测范围以及不能对疏水、极酸或极碱的小蛋白分子进行检测分析等等。作为二维凝胶电泳（2D-PAGE）的替代方法，多层色谱分析方法被用于分离蛋白样品成分，降低样品中复杂物质的含量，以进行大规模色谱蛋白鉴别分析。这项分析方法包括了多层蛋白识别技术和多种亲和捕捉色谱法，如：同位素亲和标记和金属螯合物亲和标记等。

虽然蛋白质组的分析技术有了巨大发展，一种新的能全面进行蛋白质组研究的技术是相当有必要的。芯片技术恰能很好地满足进行蛋白质组全面研究的要求，它具有强大的监视细胞内基因表达，研究蛋白与大量潜在相关分子相互作用的功能。

从DNA芯片到蛋白芯片

蛋白芯片是指将大量蛋白质分子按预先设置的排列固定于一种载体表面行成微阵列，根据蛋白质分子间特异性结合的原理，构建微流体生物化学分析系统，以实现对生物分子的准确、快速、大信息量的检测。

虽然早在上世纪80年代早期Roger Ekin在他的环境物质理论中描述了蛋白芯片的技术原理，但直到基因组和蛋白组研究领域中取得显著成就后微芯片检测技术才得到了极大的关注。只需在一个平面上进行一次试验，就可对上千个细胞生物学参数实施测定的可能性，为建立蛋白质组全面检测分析工具提供了完美的解决方案。DNA芯片具有良好的杂交系统，能通过一次反应试验分析出细胞的全部转录系统。由于细胞内的mRNA和蛋白质没有绝对的相互对应关系，要解决基因组和蛋白质组研究之间的差异问题需要有其它可以直接分析检测蛋白特性的高通量技术。在过去的几年中，不同的高通量分析检测技术平台已经建立，而且微芯片技术的发展已经超出了DNA芯片技术，基于大量不同样品的蛋白芯片检测已有了相关报道。

蛋白芯片基本原理：

蛋白芯片与基因芯片的原理相似。不同之处有，一是芯片上固定的分子是蛋白质如抗原或抗体等。其二，检测的原理是依据蛋白分子、蛋白与核酸、蛋白与其它分子的相互作用。

蛋白芯片应用：

蛋白芯片检测

蛋白芯片检测技术按照模式和应用的不同可以分为：正相和反相检测技术。目前广泛使用的是正相蛋白芯片分析技术，它利用不同样品与固定在芯片上的大量已知捕捉分子的相互作用，来同时进行多参数的检测分析。这项技术包括了用于识别和定量目标蛋白的抗体芯片技术和用于分析蛋白和固定结合分子相互作用的蛋白亲和检测技术，常用的固定结合分子有蛋白质、肽、低分子量复合物、寡糖和DNA等。反相蛋白芯片是在蛋白质芯片技术领域中刚刚发展起来的一项技术。它通过把样品以距阵的方式固定在固体支持物上，用单个可溶的探针，

如抗体，用于分析检测在不同的样品点中目的蛋白的存在与否，可用于大量组织样品、细胞样品或细胞样品碎片的不同种类参数的检测。

在蛋白芯片技术领域中一项雄心勃勃的计划是进行基于芯片的蛋白质组学研究，即建立起蛋白质芯片检测系统，来做为先进的DNA芯片检测技术的补充。然而具有高度专一检测能力的芯片设计和制造的先决条件是获取芯片中的专一性捕捉物质。由于DNA芯片中有多种捕获分子的分析制备系统，这个先决问题能够轻易地解决。DNA是一种均一性很高的分子，单链的DNA依据碱基配对原理可与其互补DNA链配对结合。依据目的DNA的最初序列，科学家可以轻易的推测出具有高度选择性和特异性的DNA捕捉序列。此外，高通量的寡核苷酸合成仪及基因扩增（PCR）方法能够快速方便的得到DNA捕捉分子。因此，捕捉分子的分析设计和DNA 芯片的制造技术是非常直接明了的。

与DNA芯片相比，蛋白质芯片却没有这么容易制作。科学家们仅从蛋白一级序列结构出发很难预测出其具有高亲和力的捕捉分子。这是因为蛋白的高级结构是多样的，与捕捉分子有多种可能的相互作用模式，而且蛋白与捕捉分子的相互作用是通过蛋白质的高级结构的静电力、氢键、疏水的范德华力，以及这三种力的联合作用而产生的。此外，蛋白质可以同时和不同分子结合发生作用，形成复合物，加之胞内转录后动态的修饰过程（如：糖基化和磷酸化）可对蛋白相互作用产生重大影响使得蛋白质芯片的制作就更难了。因此，每一种蛋白捕捉分子必须单独制备出来，所获得的捕捉分子不仅需要具有亲和力强的特点还需要有选择性强且交叉反应性低的特点。

在蛋白质研究中没有类似基因扩增（PCR）来进行蛋白扩增的技术，因此在制作蛋白质芯片的道路上必须克服的第一个障碍就是快速，低成本，大量地制备出高度专一性和高亲和力的蛋白捕捉分子。此外还要保证被固定的蛋白分子的功能保持不变，这个问题也并不容易解决。把蛋白分子固定在片基上而不损坏它们的高级结构，这比把寡核苷酸或DNA片段固定在片基上要困难得多。然而这些难题已经部分或完全的得到了解决。通过优化固体片基的表面，改进蛋白标记技术，可以使具有功能状态的蛋白质被固定；通过重组蛋白及捕捉分子的大量生产制备有效地拓宽了高度专一性和选择性捕捉分子的获取瓶颈。这些技术成果使得蛋白芯片技术能够成功地应用在高通量的检测分析当中，毕竟第一个含有几百个蛋白抗体的抗体芯片已进入商业化生产销售阶段。

蛋白芯片的制备及使用仪器：点样制备蛋白分子微阵列

载体表面蛋白的固定: 蛋白芯片与样品反应。探针可以与相应的目的分子特异性的结合，带有荧光的报告分子与目的分子特异性的结合。反应结果的检测仪器: