Science专题：蛋白质芯片技术（下）

本周《科学》（Science）的一篇专题文章聚焦了蛋白质芯片（protein array）技术，其中略微谈到了美国亚利桑纳州立大学生物设计学院（Biodesign Institute）Virginia G. Piper个体化诊断中心主任Joshua LaBaer开展的一项研究。

上接：Science专题：蛋白质芯片技术（上）

蛋白质芯片可以被分为两大类。一种是所谓的正相芯片（forward phase arrays），一种蛋白质样品可用多种试剂进行筛选。捕获蛋白质（通常为一种抗体）首先被附着在玻片的表面。当将一份检测样品遍铺在芯片上，固定的抗体就可以用来捕获识别的抗原。检测样本可以是血液、细胞、细胞裂解液或是其他一些生物学标本。捕获的分析物随后可利用荧光染料直接检测。这种技术具有高度特异性，但是非常耗时。

在反相芯片（reverse phase arrays）中，检测样本被直接印在玻片上，然后利用一种荧光偶联蛋白质例如一种抗体来检测芯片。这种反相芯片其中的一种关键优势是减少了检测蛋白质抗原所需的抗体探针的量。在当前的Science综述中均讨论了这两种正相和反相芯片的例子。

LaBaer的研究小组利用了一种他们实验室设计的新型蛋白质芯片来开展研究工作。这种被称为核酸可编程蛋白质芯片(Nucleic Acid Programmable Protein Array ，NAPPA)的技术功能特别强大，因为它省却了芯片应用前的蛋白质纯化需要。并没有利用自身蛋白，NAPPA技术将称为质粒的蛋白质编码DNA环状片段置于玻片指定位点上，将DNA芯片技术的简单和低成本带到蛋白质组学的世界中。

在使用芯片前，将体外转录/翻译系统作为一种涂层用于玻片上，将每个芯片转变为生产蛋白质的纳米级工厂。因为蛋白质合成后便立即付诸使用，这样就可以避免蛋白质的稳定和纯化问题。

“NAPPA的中心概念就是只在测试前时刻生成‘新鲜’的蛋白质，利用与蛋白质最相关的机器来制造它们。目前我们正利用人类核糖体机器来生成人类蛋白质，”LaBaer说。

目前LaBaer的方法可使2300种基因排列在一个常规的显微镜玻片上。鉴于人类蛋白质组如此巨大，包含超过3万种不同的蛋白质，这一技术需要大约10张阵列玻片来对蛋白质组进行完全取样。以更高密度定位放置DNA质粒需要新的印记技术来避免邻近位置的阵列点之间发生化学串扰。利用先进的压电式移液（piezoelectric-pipetting）技术，研究小组预计新一代蛋白质芯片可以将每张玻片的蛋白质密度提高约一个数量级。

目前，Piper 中心的一张芯片上约有1.4万个人类蛋白质可用于检测疾病的抗体靶标。这一技术现正用于研究蛋白质的翻译后修饰以鉴别新型的自身抗体。

在蛋白质合成过程中或之后可能发生翻译后改变，导致对蛋白质残基的修饰。这样的变化会改变蛋白质的物理和化学性质从而影响它们的形状和功能。特殊自身抗体的存在可能会发出症状出现前识别疾病抗原的信号，例如恶性肿瘤所生成的那些抗原。近期一项研究鉴别了一组28种抗原，可以80-100%的特异性准确找出血清中的早发性乳腺癌。

此外，通过鉴别出与感染性疾病例如霍乱、炭疽和绿脓杆菌相关的免疫原性蛋白质，这项研究还可能有助于加速推动更有效的疫苗进入市场。

LaBaer说：“这项工作的关键是在于检测大量的患者和健康个体以确定哪些反应只特异性存在于患者中。最重要的是要在独立实验中确证这些研究结果。”