2012年5月22日

光线阵列用于早期疾病检测?

这是本周杂志的专题科学重点介绍了蛋白质阵列技术，涉及生物设计研究所弗吉尼亚G.派珀个性化诊断中心主任Joshua LaBaer进行的研究。

随着圆满的完成人类基因组计划在美国，研究的注意力越来越集中在蛋白质上。蛋白质是由遗传模板产生的多功能产品，在维持健康和发病方面都起着主要作用。蛋白质微阵列是一种弥合核苷酸序列分析之间差距的手段DNA而蛋白质组——由基因编码的氨基酸组成的蛋白质宇宙。

蛋白质微阵列正在帮助研究人员开发早期检测方法，特别是对占国家医疗保健支出大部分的慢性疾病。在早期症状前阶段识别糖尿病、冠状动脉疾病、充血性心力衰竭和各种癌症的迹象，为成功的治疗提供了最佳的预后，并大大降低了成本。

“蛋白质是生物的机器。疾病几乎总是蛋白质功能失调的结果，而大多数药物都是为了影响蛋白质功能而设计的。蛋白质微阵列使我们能够同时测试数千种蛋白质的生化特性，”LaBaer说。

虽然基因组为构建生命系统提供了指导手册，但蛋白质是真正的分子主力，它们忠实地执行基因组指令，同时还在无数环境影响下修改它们的行为。蛋白质为细胞和组织提供结构，促进细胞内和细胞间的信号传递，充当受体，催化酶活性，执行免疫功能，并执行无数其他生物任务。

因此，更彻底地了解蛋白质组对诊断医学至关重要，特别是对于建立生物标志物-早期疾病状态的症状前指数，可作为血液中的蛋白质成分检测。LaBaer的团队正致力于发现一系列致命疾病的生物标志物，包括乳腺癌、卵巢癌、肺癌和口咽癌;I型糖尿病和各种感染性病原体。

直到最近，研究蛋白质的复杂性(而不是组成DNA的四个核苷酸序列)一直令人生畏。蛋白质微阵列通常由固定在玻片或芯片上的蛋白质库组成，以2D可寻址的网格格式。这种阵列是通过表达和精心纯化蛋白质，然后将它们印在载玻片表面制成的。一旦蛋白质库在阵列上展开，就可以使用高通量方法来研究它们的行为。

类似的阵列长期以来一直被用于研究DNA，对基因组有了源源不断的深入了解，在某些情况下还提供了快速准确的诊断工具。研究人员希望用蛋白质微阵列技术重复DNA微阵列的成功，尽管存在许多障碍。与核酸相比，蛋白质表现出巨大的结构多样性和复杂性。蛋白质的合成、稳定和纯化往往是一项艰苦的工作。充分地将蛋白质附着在阵列表面是棘手的，随后通过结合事件检测这些蛋白质比核酸阵列的情况要复杂得多。

蛋白质微阵列可以分为两大类。通过所谓的正向相控阵，一个蛋白质样品与多种试剂进行筛选。捕获蛋白(通常是抗体)首先附着在载玻片表面。然后，当测试样本分布在阵列上时，固定的抗体可以用来捕获它识别的抗原。测试样本可以是血液、细胞、细胞裂解物或其他生物样本。捕获的分析物可以直接检测，使用荧光染料。该技术具有很高的特异性，但很耗时。

在反相阵列中，测试样品直接打印在载玻片上，然后用染料偶联蛋白(如抗体)检测该阵列。反相微阵列的主要优点之一是减少了检测蛋白质抗原所需的抗体探针的数量。正向阵列和反向阵列的例子都在当前的《科学》评论中给出了。

LaBaer的团队使用他们实验室设计的一种新型蛋白质阵列。这种技术被称为核酸可编程蛋白阵列(NAPPA)，它特别强大，因为它不需要在使用微阵列之前对蛋白质进行纯化。NAPPA技术不使用蛋白质本身，而是将编码蛋白质的环状DNA片段，即质粒(构建蛋白质的蓝图)标记在载片上，将DNA微阵列技术的简单性和低成本引入蛋白质组学领域。

在使用该阵列之前，在载玻片上应用体外转录/翻译系统作为涂层，将每个阵列变成蛋白质生产的纳米级工厂。避免了蛋白质稳定性和纯化的问题，因为蛋白质在使用前立即合成。(图1显示了NAPPA如何工作的示意图。)

“NAPPA的核心概念是在测试之前让蛋白质‘新鲜’，并使用与蛋白质最相关的机制来制造它们。目前，我们正在使用人类核糖体机制来制造人类蛋白质，”LaBaer说。

LaBaer的方法目前允许在传统的显微镜载玻片上排列约2300个基因。考虑到人类蛋白质组的庞大，由超过30,000种不同的蛋白质组成，该技术需要大约10个阵列幻灯片来完全采样蛋白质组．在更高密度下标记DNA质粒需要新的标记技术，以避免位于紧密位置的阵列点之间的化学串扰。利用先进的压电移液技术，该小组预计下一代蛋白质阵列将提高每个幻灯片的蛋白质密度大约一个数量级。