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Science專題:蛋白質芯片技術(下)

日期:2012-05-24 08:09:00

本周《科學》(Science)的一篇專題文章聚焦了蛋白質芯片protein array)技術,其中略微談到了美國亞利桑納州立大學生物設計學院(Biodesign InstituteVirginia G. Piper個體化診斷中心主任Joshua LaBaer開展的一項研究。

 

上接:Science專題:蛋白質芯片技術(上)

 

蛋白質芯片可以被分為兩大類。一種是所謂的正相芯片forward phase arrays),一種蛋白質樣品可用多種試劑進行篩選。捕獲蛋白質(通常為一種抗體)首先被附著在玻片的表面。當將一份檢測樣品遍鋪在芯片上,固定的抗體就可以用來捕獲識別的抗原。檢測樣本可以是血液、細胞、細胞裂解液或是其他一些生物學標本。捕獲的分析物隨后可利用熒光染料直接檢測。這種技術具有高度特異性,但是非常耗時。

 

反相芯片reverse phase arrays)中,檢測樣本被直接印在玻片上,然后利用一種熒光偶聯蛋白質例如一種抗體來檢測芯片。這種反相芯片其中的一種關鍵優勢是減少了檢測蛋白質抗原所需的抗體探針的量。在當前的Science綜述中均討論了這兩種正相和反相芯片的例子。

 

LaBaer的研究小組利用了一種他們實驗室設計的新型蛋白質芯片來開展研究工作。這種被稱為核酸可編程蛋白質芯片(Nucleic Acid Programmable Protein Array NAPPA)的技術功能特別強大,因為它省卻了芯片應用前的蛋白質純化需要。并沒有利用自身蛋白,NAPPA技術將稱為質粒的蛋白質編碼DNA環狀片段置于玻片指定位點上,將DNA芯片技術的簡單和低成本帶到蛋白質組學的世界中。

 

在使用芯片前,將體外轉錄/翻譯系統作為一種涂層用于玻片上,將每個芯片轉變為生產蛋白質的納米級工廠。因為蛋白質合成后便立即付諸使用,這樣就可以避免蛋白質的穩定和純化問題。

 

NAPPA的中心概念就是只在測試前時刻生成‘新鮮’的蛋白質,利用與蛋白質最相關的機器來制造它們。目前我們正利用人類核糖體機器來生成人類蛋白質,”LaBaer說。

 

目前LaBaer的方法可使2300種基因排列在一個常規的顯微鏡玻片上。鑒于人類蛋白質組如此巨大,包含超過3萬種不同的蛋白質,這一技術需要大約10張陣列玻片來對蛋白質組進行完全取樣。以更高密度定位放置DNA質粒需要新的印記技術來避免鄰近位置的陣列點之間發生化學串擾。利用先進的壓電式移液(piezoelectric-pipetting)技術,研究小組預計新一代蛋白質芯片可以將每張玻片的蛋白質密度提高約一個數量級。

 

目前,Piper 中心的一張芯片上約有1.4萬個人類蛋白質可用于檢測疾病的抗體靶標。這一技術現正用于研究蛋白質的翻譯后修飾以鑒別新型的自身抗體。

 

在蛋白質合成過程中或之后可能發生翻譯后改變,導致對蛋白質殘基的修飾。這樣的變化會改變蛋白質的物理和化學性質從而影響它們的形狀和功能。特殊自身抗體的存在可能會發出癥狀出現前識別疾病抗原的信號,例如惡性腫瘤所生成的那些抗原。近期一項研究鑒別了一組28種抗原,可以80-100%的特異性準確找出血清中的早發性乳腺癌。

 

此外,通過鑒別出與感染性疾病例如霍亂、炭疽和綠膿桿菌相關的免疫原性蛋白質,這項研究還可能有助于加速推動更有效的疫苗進入市場。

 

LaBaer說:“這項工作的關鍵是在于檢測大量的患者和健康個體以確定哪些反應只特異性存在于患者中。最重要的是要在獨立實驗中確證這些研究結果。”

 


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