构象性蛋白质芯片的制造原理

《构象性蛋白质芯片的制造原理》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、构象性蛋白质芯片的制造原理 周建军1，2、吴才宏1、丰美福2 1北京大学生命科学学院生物膜与膜生物工程国家重点实验室（100871）　　2中国科学院动物所生物膜与膜生物工程国家重点实验室（北京，100080） 摘要：本文简单回顾了生物芯片的一般原理和现状，沿着生物文库、阵列的思路线索，着重讨论了构象性蛋白质芯片研制的必要性、可能性和原理线条。认为这种蛋白质芯片是一个崭新的技术方向，将会改观生物学的研究，为疾病的准确快捷诊断奠定基础。人们在与疾病的抗争中创造了许多杰出的诊断和治疗方法，其中正确及时的诊断是取得正确及时治疗的必要前提和可靠保证。所以在生

2、物医学界，人们总是有一个梦想，用一小片试纸、一小块芯片，从一滴血（体液）里就能得出关于被试者健康状况的必要信息。生物技术与计算机技术的融合使我们逐渐看到了这个希望。DNA芯片和蛋白质芯片芯片是这方面的最明显的迹象。 背景：生命科学的信息化是目前自然科学界最明显的趋势。一个例子就是目前已经完成工作草图的人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）,最终要搞清人类全部基因组的30亿左右碱基对的序列，这将是多达上百万页印刷符号的的巨著（3000w/p）。除了人的遗传信息以外，还有其它生物尤其是模式生物（ModelOrganism）已经或

3、正在被大规模测序解密，如大肠杆菌，啤酒酵母，美丽隐杆线虫，以及中国和日本科学家攻关的水稻基因组计划。光拿到生物基因组一级结构还远远不够，还必须了解其中基因是怎样组织起来的，又是怎样随发育调控和微环境因素的影响而在特定的时空域中展开其表达谱的，即我们正由结构基因组时代迈入功能基因组时代。随着这些基本的基因组学问题的提出1，2（后基因组时代，蛋白组学），涌现出许多功能强大的研究方法和研究工具，最突出的就是细胞蛋白质二维凝胶电泳（及相应的质谱法测蛋白分子量）和生物芯片（Biochip）技术3。它们的应用将提供更为巨量的而且更生动形象的生命活动数据和图景。

4、生物芯片，简单地说就是根据研究目的的不同，在一块指甲大小的硅或膜片上将生物分子探针以大规模阵列的形式排布，形成可与目的分子相互作用，并行反应的固相表面，通过信号收集，计算机分析数据结果最后即生物学模型建立。目前最成功的且形成一定商业市场的是DNA芯片，即将无数预先设计好的寡核苷酸或cDNA在芯片上做成点阵，与样品中同源核酸分子杂交4。其实理论上允许几乎所有种类的生物分子作芯片上的探针，比如蛋白、糖、脂类和其它小分子。这种技术的特点是微量化、大规模、并行化和高度自动化处理感兴趣的生物样品，精细地研究组织细胞基因表达情况，了解各种状态下分子结构变异和分

5、子病理过程，并为寻找合适的医药或疫苗，提供了极大的便利。多种高技术的融合最终使DNA芯片走出设想，走向实用化，逐渐成为象计算机芯片对于计算机科学家那样对于实验生物学家不可缺少的工具。基因表达谱是特定组织特定状态在基因组水平基因差异表达。有关DNA芯片的文章一经出现就在描述此方面的应用上展示了诱人的魅力5。其实验结果是表达基因组在发育或病理活动中动态功能信息的，因此理论上，有10,000个基因的人类基因组可在一张芯片上、一次杂交反应中观察到其在目的细胞的实际表达状态，包括表达与否，表达丰度，而且两种相关细胞的实验可在同一张片子上同时做出来，便于在最小

6、实验误差情况下比较二者细微差异。这样将具体的分子信息与细胞的生理特征改变联系起来，极有可能以前所未有的速度揭示生命活动过程的精细机制，并成批地进行功能克隆新基因或将"孤儿基因"与确定的生物学功能联系起来；另一方面为临床诊断、预后评价提供全新的标准和模式，为新药设计提示准确的靶分子而且提供快速廉价的分析手段。 蛋白质芯片：真正研究基因表达谱必然要在两个层次上进行，mRNA和功能性蛋白质，分别对应于中心法则的两个阶段。DNA芯片是在mRNA层次研究，mRNA的转录情形却与基因的终末产物蛋白质的翻译情形不见得一致，更不要说复杂的翻译后修饰（糖基化，磷酸化

7、及乙酰化等关系细胞生命活动中快速响应的过程）了，而事实上从最终决定组织细胞生理病理状态的蛋白组却缺乏相应的快速、并行、高度特异的方法，而且一直没有诞生象PCR大量扩增核酸一样等价的多肽扩增技术。应用大规模排阵和分子杂交的思想成功地制造出DNA芯片，应用类似的思想也可以制造蛋白质芯片（proteinchip），联合DNA芯片可以完整地检测特定组织细胞基因的表达情况。然而由于活性蛋白质对构象的高度依赖性，proteinchip一直只是Biochip中的一个设想。现在DNA芯片的研究正如火如荼，利用此高通量手段，研究者可以方便地研究众多的基因在mRNA水

8、平上在某种特定情况下的转录变化。但是这方法因不能与最终发挥生物学功能的蛋白质直接关联而显得局限，高密度蛋白质微阵列才是人们