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基因体学

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微阵列 (Microarray) 系统 上个世纪末分子生物学研究领域中,生物芯片的发明是一项令人惊叹且振奋的生物技术成就之一。所谓的生物芯片是泛指以微小化技术将生物有机分子作为探针 (probe),以大量矩阵的方式,置于一个指甲大小的硅芯片、玻璃片或尼龙薄膜上面,用以检测标的分子 (target)。这是微处理芯片和生物科技融合的结晶,将生物科技带向体积小、超高速、高通量的资讯处理时代。借由这项技术的发明,科学家可以在小小的面积的空间上在短时间内进行上万点的实验,不仅减少了实验上的误差,也大量减少了实验所需的时间,同时增加了实验的效率及可信度。一般常见的生物芯片的种类可分为五种 (Knudsen, 2002),分别是: 1. Microarray (cDNA or oligonucleotide) 2. DNA Chip (in situ synthesis) 3. Protein/Antibody Chip 4. Tissue Chip 5. Lab-on-a-chip。

因此透过这些新的微阵列实验工具,可以对传统实验方式产生突破性的改变,即是以较少的样品数量,进行快速且大量的实验,并且可以结合自动化的设备,对于样品的基因或蛋白质的表现程度,描绘出具体的轮廓,对于一些复杂的实验对象提供更多的参考结果。


微阵列系统介绍[编辑]

在人类基因体定序计划完成后,接下来的工作就是要对这些基因的生物功能进行注解。因此借由转录体 (transcriptome) 的研究可以全面性的对基因体内的基因表达上,获得相当重要的结果。基因微阵列系统是研究转录体中最快速且有效的方法,可以大量针对数以千计不同基因的表现进行分析。目前微阵列技术可依制作方式不同分成两种 (Harrington et al., 2000):一种称做寡核苷酸阵列 (oligonucleotides array) (Hacia et al., 1999);另一种称为cDNA 微阵列,是将事先合成的单股cDNA 结合在玻璃片或是尼龙膜片(nylon membrane)上。

微阵列系统应用

微阵列系统最大的优点,即是只要进行一次实验就可以同时看到数千个、甚至上万个基因之表现程度,节省相当大的时间和繁杂的过程。目前对于高密度cDNA微阵列系统在研究生物医学上已经有广泛的应用,例如:新基因的鉴定 (identification of novel genes) (Heller et al., 1997)、癌症疾病的研究 (cancer research) (Wang et al., 1999)、新药品的开发 (drug discovery and development) (Debouck and Goodfellow, 1999)、发育生物学 (developmental biology) 的研究(Tanaka et al., 2000)、先天缺陷症候群研究 (congenital anomaly syndrome)、快速分析基因多型性 (polymorphism)、快速检测感染源并分析感染源之亚型 (subtypes) (Pastinen et al., 2000)、快速筛检重大疾病 (Khan et al., 1999)。

在基础的研究上,可以借由某些未知功能的基因或表现序列标帜 (expressed sequence tag, EST) 的表现,找出其可能的基因功能,并且广泛了解各种生物、组织或细胞内基因在不同情况下的表现。例如:细胞的分化、细胞分裂是否正常 (Perou et al., 1999)、细胞因抗癌药物、毒素、病毒、微生物、辐射及其他物理及化学刺激所造成之影响与恒定状况。


微阵列实验之资料分析[编辑]

微阵列实验虽然复杂,但是比较起实验所获得的原始资料分析来说,可能只算是小意思。从最基本的将每个点 (spots) 由影像转换为数位的形式、到如何进行正规化 (normalization)、决定出确实有改变的基因,到最后如何在数以百千计发生改变的基因当中,归纳出具有特殊意义的可能方向,这是最花时间也是最复杂的工作。也因此必须要借重许多的资讯工程师,开发出可供生物学家使用的软件,以便快速且有效的进行分析的工作。


微阵列技术未来的发展 由于微阵列是在一个指甲大小的硅芯片、玻璃片或尼龙薄膜上面,放入数以万计的探针(probe),可以同时且大量的用以检测标的分子 (target),因此必须要靠相当复杂的技术来制作,必须结合相当大量的工程人员,进行跨领域的合作与交流,如此才可能成为真正具有实用性的研究工具。可以说是微处理芯片和生物科技融合的结晶,将生物科技带向体积小、超高速、高通量的资讯处理时代。目前微阵列技术正处在蓬勃发展的环境当中,虽然有许多相关的技术有待克服,但是不可讳言的,微阵列系统的使用在未来生物医学的基础研究及临床应用上会有更重大的角色。


蛋白质体学 (Proteomics)[编辑]

由于蛋白质本身才是生物体内扮演实际功能的角色,因此当基因体学如火如荼的被强调时,蛋白质体学的研究便应运而起,成为目前研究基因功能的重要显学。基因的组成仅由4种去氧核苷酸所组成,并没有很多的修饰作用 (modification);但是蛋白质的组成就复杂的多了,除了是由20种氨基酸依据不同排列作组成外,上有复杂的二级、三级甚至四级的构造,并且还有相当多的转录后修饰作用(post-translation modification, PTM),所以研究的困难度更高,也因此发展的时间较基因体学为晚,并且在现阶段许多相关研究科技尚在发展,并未成熟。


蛋白质体学介绍[编辑]

蛋白质体学这个新名词是在1994年由Dr. Milkins所提出的(Wilkins et al., 1996),经过十余年来的发展,以成为生命科学研究领域当中发展最迅速的一个领域。而蛋白质体学的研究所强调的就是以系统性、巨观的角度来探讨一个生物体、组织或细胞内所有蛋白质的表现 (expression)。但是蛋白质的作用具有相当大的复杂性 (complexity)、动态性 (dynamism)及特殊的生理作用 (function),所以一种基因在经过复杂的调控过程后,可转译成一种以上之蛋白质;并且生物体也会因所处环境不同或生理情形的改变,都会使得蛋白质有不同的表现,因此基因表现的产物蛋白质更适用于生物体应用的研究上。蛋白质体学是以广泛的角度观察生物体,面临生理转变或疾病反应时,整体的蛋白质的定性跟定量的变化以及蛋白质间交互作用等表现情形,非针对单一蛋白质进行研究,而是探讨整个蛋白质体内蛋白质的所有变化。

蛋白质体学应用 蛋白质体学在生物学上的应用,最常使用的是找出具有“质”与“量”改变的蛋白质,并且许多疾病的产生并非简单的某一种蛋白质失调所造成的,而是整个蛋白质网络 (protein network) 发生改变所造成的。例如在正常与病变的细胞或组织中,找出表现量有差异的蛋白质点。例如在精神分裂症病人的海马回 (hippocampus) 中找出了许多不正常表现的蛋白质(Edgar et al., 1999)。此外,比较正常与疾病组织之间的蛋白质表现差异,也可以找出某些与疾病相关的蛋白质标记分子 (protein markers),如研究心脏病、乳癌、膀胱癌等疾病的蛋白质指标 (Dunn, 2000; Weekes et al., 1999)。

另外有些学者为了要对细胞内特定的部分蛋白质进行研究,可以用免疫亲和力 (immunoaffinity) 结合的应用,例如以可辨识磷酸化的酪胺酸 (tyrosine) 或是丝胺酸 (serine) 的抗体去辨认细胞内被这两种氨基酸被磷酸化的蛋白质,来观察有哪些蛋白质会被磷酸化 (Soskic et al., 1999)。也可以使用免疫沉淀 (immunoprecipitation) 的方法收集特定的蛋白质,以便进行研究分析 (Houry et al., 1999)。

蛋白质体学之相关实验 由于基因体的发展顺利完成,才能带动蛋白质体学的研究。因为基因体计划所获得的基因序列资料,提供给蛋白质身份鉴定的重要依据。一般而言,蛋白质体学的研究主要包括:蛋白质的分离 (separations) 与蛋白质的鉴定 (identification) 两部分。

由于细胞内的蛋白质具高度复杂性且数目与种类也相当的繁多,因此必须先进行蛋白质的分离以减少未来分析上的复杂性。主要的分离技术是利用蛋白质本身物理及化学的特性,例如分子量、亲和力、带电性等来加以区隔。目前发展出来的技术有:二维电泳法 (two-dimension gel electrophoresis)、毛细管电泳 (capillary electrophoresis)、离子交换层析法 (ion exchange chromatography)、胶体过滤层析法 (gel-filtration chromatography)、亲和性层析法 (affinity chromatography)、多维液相层析 (multidimensional liquid chromatography)、蛋白质芯片 (protein array)、抗体微阵列 (antibody microarray)等方式。最常使用的分离方式是二维电泳,也就是依据各种蛋白质具有特定的等电点 (isoelectric point) 和分子量 (molecular weight),依其差异所进行的蛋白质分离方式。可以将复杂的蛋白质混合物分离后保存于二维电泳胶内,以便能够进一步的进行质谱的身份鉴定。

利用影像分析软件,可以在极短的时间内分析数以千计的蛋白质点的强弱及位置的改变。当决定了要进一步分析的蛋白质点后,就利用特定的水解酵素来处理,通常是利用胰蛋白酶 (trypsin)。胰蛋白酶可以对特定氨基酸arginine及lysine的carboxyl side进行水解,将蛋白质水解为许多的小片段。这些胜肽片段都具有特定的荷质比 (m/z),可以利用质谱仪 (mass)来进行分析。常见的质谱仪有:基质辅助激光脱附游离-飞行时间 (matrix-assisted laser desorption ionization time-of-fly, MALDI-TOF) 质谱仪及电喷洒游离 (electrospray ionization, ESI) 质谱仪两大类,并且可以再利用串联式质谱仪 (tendon MS, MS/MS) 来鉴定蛋白质片段之氨基酸序列,最后利用生物资讯工具跟数据库中的蛋白质序列比对分析,确认所鉴定之蛋白质。甚至可以透过更精确的分析,找寻出可能的蛋白质修饰作用。

蛋白质体学未来的发展 在进入后基因体世代 (post-genomic era),蛋白质体的研究将扮演更重要的角色。相较于基因体,蛋白质体的研究在技术和分析工具上仍存在相当多的挑战,尤其是未来生物学的研究需要仰赖许多跨领域之尖端技术,如资讯工程、电机工程、物理化学相关基础研究等等。除了目前研究蛋白质表现的种类与含量的变化外,未来的蛋白质体学还包括了:结构蛋白质体学 (structural proteomics)、功能蛋白质体学 (functional proteomics) 及计算蛋白质体学 (computational proteomics) 等。透过蛋白质体学的进展,将可加速了解复杂的蛋白质及生物分子系统的结构及其间之交互作用,阐明蛋白质与生命现象间密切的关系。