蛋白质组学/蛋白质芯片

演示

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介绍

介绍

通过显微镜观察到的 DNA 微阵列。蛋白质芯片看起来相同，只是每个点对应于生物体数千种蛋白质中的一种，而不是其中的一种基因。点的强度表示蛋白质存在的量。

蛋白质芯片，也称为蛋白质阵列或蛋白质微阵列，是根据DNA 微阵列模型构建的。DNA 微阵列在大规模基因组实验中的成功促使研究人员开发类似的技术，以实现大规模、高通量的蛋白质组学实验。蛋白质芯片使研究人员能够快速、轻松地调查生物体中细胞的整个蛋白质组。它们还允许研究人员自动化和并行化蛋白质实验。

蛋白质芯片最初由哈佛大学的研究人员于 2000 年开发。如今，有许多公司使用多种技术（包括点样和凝胶方法）制造蛋白质芯片。可用的蛋白质芯片类型包括“芯片实验室”、抗体阵列和抗原阵列，以及包含“替代捕获剂”（如蛋白质、底物和核酸）的各种芯片。

蛋白质芯片分析面临许多挑战，包括动态蛋白质浓度、细胞蛋白质组中蛋白质数量众多，以及对每种蛋白质探针的理解。步骤包括从芯片中读取蛋白质水平，然后使用计算机软件分析收集的大量数据。

蛋白质芯片实验的应用包括识别疾病生物标志物、研究蛋白质-蛋白质相互作用以及测试样品中抗体是否存在。蛋白质芯片在癌症研究、医学诊断、国土安全和蛋白质组学方面具有应用。

本章将展示蛋白质芯片为何正在改变蛋白质组学的面貌，以及它们将在未来产生更大的影响。

历史

核酸微阵列

使用微阵列进行基因表达谱分析首次发表在 1995 年。这项技术使科学家能够在一个实验中分析数千个mRNA，以确定表达在疾病状态下是否不同。不幸的是，细胞内的 mRNA 水平通常与实际蛋白质丰度之间关系不大。这可能是由于许多因素造成的，包括 mRNA 相对于蛋白质的降解速率以及转录后调控和修饰。直接测量蛋白质的量将绕过任何 mRNA 不一致，并提供基因功能的真实水平，然而传统蛋白质表征方法速度缓慢且繁琐。这些综合因素是创建蛋白质芯片的推动力。

传统蛋白质表征方法的不足

液相色谱/质谱 (LC/MS) 仪器。与蛋白质芯片相比，这种技术的通量较低，因为蛋白质芯片可以在单个实验中在一个芯片上测试数千种蛋白质。

在蛋白质芯片出现之前，蛋白质测量和表征是使用两种不同的方法完成的：二维凝胶电泳与质谱联用，以及液相色谱。这些方法可以在一次实验中分离和可视化大量的蛋白质，但是与蛋白质芯片相比，它们非常耗时。由于缺乏自动化，它们的流程通量非常低。可重复性也是一个因素，因为样品处理量很大。需要发明一种更好的、更标准化、更高通量的蛋白质测量和表征方法。

现代蛋白质芯片的前身

酶联免疫吸附测定 (ELISA) 中使用的设备和试剂，它是蛋白质芯片的前身。

免疫测定是蛋白质芯片的前身，自 1980 年代以来就已问世，它利用抗体和抗原之间的相互作用来检测其在生物样品中的浓度。然而，它们的创建既费时又昂贵。为了应对这一问题，哈佛大学的研究人员将免疫测定和 DNA 微阵列技术相结合，开发了蛋白质芯片。在他们于 2000 年发表的里程碑式论文“将蛋白质打印为微阵列以进行高通量功能测定”中，Gavin MacBeath 和 Stuart Schreiber 描述了如何创建蛋白质芯片，并展示了三类将从这项新技术中受益的应用。他们的方法的优势是使用现成的材料（即玻璃载玻片、聚丙烯酰胺凝胶）、相对易于实施（机器人微阵列打印机）以及与标准仪器的兼容性。

在过去的五年中，许多公司（包括Biacore、Invitrogen和Sigma-Aldrich）已开始生产工业级蛋白质阵列系统，这些系统可用于药物发现和基础生物学研究。商业实体使蛋白质芯片研究成为一个简化的标准化过程，与 2000 年的最初阶段相比，其水平与 DNA 微阵列相同。

学术研究在这些技术的发展和改进中发挥着重要作用。学术研究与 Affymetrix GeneChip 和人类基因组计划等系统的合作促进了良性竞争，从而推动了技术进步。随着更多开发的出现，人们对这些领域的理解更加深入，并鼓励了更多研究。

Affymetrix是一家自 1992 年以来一直在制造名为 GeneChip 的微阵列的公司。他们在全球拥有 13 个办事处，总部位于美国（加利福尼亚州）、英国、日本和中国。

下一部分：制造

参考文献

章节作者：Jonathan Keeling 和 Eric Foster
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