基因体学

微陣列 (Microarray) 系統上個世紀末分子生物學研究領域中，生物晶片的發明是一項令人驚歎且振奮的生物技術成就之一。所謂的生物晶片是泛指以微小化技術將生物有機分子作為探針 (probe)，以大量矩陣的方式，置於一個指甲大小的矽晶片、玻璃片或尼龍薄膜上面，用以檢測標的分子 (target)。這是微處理晶片和生物科技融合的結晶，將生物科技帶向體積小、超高速、高通量的資訊處理時代。藉由這項技術的發明，科學家可以在小小的面積的空間上在短時間內進行上萬點的實驗，不僅減少了實驗上的誤差，也大量減少了實驗所需的時間，同時增加了實驗的效率及可信度。一般常見的生物晶片的種類可分為五種 (Knudsen, 2002)，分別是： 1. Microarray (cDNA or oligonucleotide) 2. DNA Chip (in situ synthesis) 3. Protein/Antibody Chip 4. Tissue Chip 5. Lab-on-a-chip。

因此透過這些新的微陣列實驗工具，可以對傳統實驗方式產生突破性的改變，即是以較少的樣品數量，進行快速且大量的實驗，並且可以結合自動化的設備，對於樣品的基因或蛋白質的表現程度，描繪出具體的輪廓，對於一些複雜的實驗對象提供更多的參考結果。

微陣列系統介紹

在人類基因體定序計畫完成後，接下來的工作就是要對這些基因的生物功能進行註解。因此藉由轉錄體 (transcriptome) 的研究可以全面性的對基因體內的基因表達上，獲得相當重要的結果。基因微陣列系統是研究轉錄體中最快速且有效的方法，可以大量針對數以千計不同基因的表現進行分析。目前微陣列技術可依製作方式不同分成兩種 (Harrington et al., 2000)：一種稱做寡核苷酸陣列 (oligonucleotides array) (Hacia et al., 1999)；另一種稱為cDNA 微陣列，是將事先合成的單股cDNA 結合在玻璃片或是尼龍膜片(nylon membrane)上。

微陣列系統應用

微陣列系統最大的優點，即是只要進行一次實驗就可以同時看到數千個、甚至上萬個基因之表現程度，節省相當大的時間和繁雜的過程。目前對於高密度cDNA微陣列系統在研究生物醫學上已經有廣泛的應用，例如：新基因的鑑定 (identification of novel genes) (Heller et al., 1997)、癌症疾病的研究 (cancer research) (Wang et al., 1999)、新藥品的開發 (drug discovery and development) (Debouck and Goodfellow, 1999)、發育生物學 (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)、快速檢測感染源並分析感染源之亞型 (subtypes) (Pastinen et al., 2000)、快速篩檢重大疾病 (Khan et al., 1999)。

在基礎的研究上，可以藉由某些未知功能的基因或表現序列標幟 (expressed sequence tag, EST) 的表現，找出其可能的基因功能，並且廣泛了解各種生物、組織或細胞內基因在不同情況下的表現。例如：細胞的分化、細胞分裂是否正常 (Perou et al., 1999)、細胞因抗癌藥物、毒素、病毒、微生物、輻射及其他物理及化學刺激所造成之影響與恆定狀況。

微陣列實驗之資料分析

微陣列實驗雖然複雜，但是比較起實驗所獲得的原始資料分析來說，可能只算是小意思。從最基本的將每個點 (spots) 由影像轉換為數位的形式、到如何進行正規化 (normalization)、決定出確實有改變的基因，到最後如何在數以百千計發生改變的基因當中，歸納出具有特殊意義的可能方向，這是最花時間也是最複雜的工作。也因此必須要借重許多的資訊工程師，開發出可供生物學家使用的軟體，以便快速且有效的進行分析的工作。

微陣列技術未來的發展由於微陣列是在一個指甲大小的矽晶片、玻璃片或尼龍薄膜上面，放入數以萬計的探針(probe)，可以同時且大量的用以檢測標的分子 (target)，因此必須要靠相當複雜的技術來製作，必須結合相當大量的工程人員，進行跨領域的合作與交流，如此才可能成為真正具有實用性的研究工具。可以說是微處理晶片和生物科技融合的結晶，將生物科技帶向體積小、超高速、高通量的資訊處理時代。目前微陣列技術正處在蓬勃發展的環境當中，雖然有許多相關的技術有待克服，但是不可諱言的，微陣列系統的使用在未來生物醫學的基礎研究及臨床應用上會有更重大的角色。

蛋白質體學 (Proteomics)

由於蛋白質本身才是生物體內扮演實際功能的角色，因此當基因體學如火如荼的被強調時，蛋白質體學的研究便應運而起，成為目前研究基因功能的重要顯學。基因的組成僅由4種去氧核苷酸所組成，並沒有很多的修飾作用 (modification)；但是蛋白質的組成就複雜的多了，除了是由20種氨基酸依據不同排列作組成外，上有複雜的二級、三級甚至四級的構造，並且還有相當多的轉錄後修飾作用(post-translation modification, PTM)，所以研究的困難度更高，也因此發展的時間較基因體學為晚，並且在現階段許多相關研究科技尚在發展，並未成熟。

蛋白質體學介紹

蛋白質體學這個新名詞是在1994年由Dr. Milkins所提出的(Wilkins et al., 1996)，經過十餘年來的發展，以成為生命科學研究領域當中發展最迅速的一個領域。而蛋白質體學的研究所強調的就是以系統性、巨觀的角度來探討一個生物體、組織或細胞內所有蛋白質的表現 (expression)。但是蛋白質的作用具有相當大的複雜性 (complexity)、動態性 (dynamism)及特殊的生理作用 (function)，所以一種基因在經過複雜的調控過程後，可轉譯成一種以上之蛋白質；並且生物體也會因所處環境不同或生理情形的改變，都會使得蛋白質有不同的表現，因此基因表現的產物蛋白質更適用於生物體應用的研究上。蛋白質體學是以廣泛的角度觀察生物體，面臨生理轉變或疾病反應時，整體的蛋白質的定性跟定量的變化以及蛋白質間交互作用等表現情形，非針對單一蛋白質進行研究，而是探討整個蛋白質體內蛋白質的所有變化。

蛋白質體學應用蛋白質體學在生物學上的應用，最常使用的是找出具有「質」與「量」改變的蛋白質，並且許多疾病的產生並非簡單的某一種蛋白質失調所造成的，而是整個蛋白質網絡 (protein network) 發生改變所造成的。例如在正常與病變的細胞或組織中，找出表現量有差異的蛋白質點。例如在精神分裂症病人的海馬迴 (hippocampus) 中找出了許多不正常表現的蛋白質(Edgar et al., 1999)。此外，比較正常與疾病組織之間的蛋白質表現差異，也可以找出某些與疾病相關的蛋白質標記分子 (protein markers)，如研究心臟病、乳癌、膀胱癌等疾病的蛋白質指標 (Dunn, 2000; Weekes et al., 1999)。

另外有些學者為了要對細胞內特定的部分蛋白質進行研究，可以用免疫親和力 (immunoaffinity) 結合的應用，例如以可辨識磷酸化的酪胺酸 (tyrosine) 或是絲胺酸 (serine) 的抗體去辨認細胞內被這兩種氨基酸被磷酸化的蛋白質，來觀察有哪些蛋白質會被磷酸化 (Soskic et al., 1999)。也可以使用免疫沉澱 (immunoprecipitation) 的方法收集特定的蛋白質，以便進行研究分析 (Houry et al., 1999)。

蛋白質體學之相關實驗由於基因體的發展順利完成，才能帶動蛋白質體學的研究。因為基因體計畫所獲得的基因序列資料，提供給蛋白質身分鑑定的重要依據。一般而言，蛋白質體學的研究主要包括：蛋白質的分離 (separations) 與蛋白質的鑑定 (identification) 兩部分。

由於細胞內的蛋白質具高度複雜性且數目與種類也相當的繁多，因此必須先進行蛋白質的分離以減少未來分析上的複雜性。主要的分離技術是利用蛋白質本身物理及化學的特性，例如分子量、親和力、帶電性等來加以區隔。目前發展出來的技術有：二維電泳法 (two-dimension gel electrophoresis)、毛細管電泳 (capillary electrophoresis)、離子交換層析法 (ion exchange chromatography)、膠體過濾層析法 (gel-filtration chromatography)、親和性層析法 (affinity chromatography)、多維液相層析 (multidimensional liquid chromatography)、蛋白質晶片 (protein array)、抗體微陣列 (antibody microarray)等方式。最常使用的分離方式是二維電泳，也就是依據各種蛋白質具有特定的等電點 (isoelectric point) 和分子量 (molecular weight)，依其差異所進行的蛋白質分離方式。可以將複雜的蛋白質混合物分離後保存於二維電泳膠內，以便能夠進一步的進行質譜的身分鑑定。

利用影像分析軟體，可以在極短的時間內分析數以千計的蛋白質點的強弱及位置的改變。當決定了要進一步分析的蛋白質點後，就利用特定的水解酵素來處理，通常是利用胰蛋白酶 (trypsin)。胰蛋白酶可以對特定氨基酸arginine及lysine的carboxyl side進行水解，將蛋白質水解為許多的小片段。這些胜肽片段都具有特定的荷質比 (m/z)，可以利用質譜儀 (mass)來進行分析。常見的質譜儀有：基質輔助雷射脫附游離-飛行時間 (matrix-assisted laser desorption ionization time-of-fly, MALDI-TOF) 質譜儀及電噴灑游離 (electrospray ionization, ESI) 質譜儀兩大類，並且可以再利用串聯式質譜儀 (tendon MS, MS/MS) 來鑑定蛋白質片段之氨基酸序列，最後利用生物資訊工具跟資料庫中的蛋白質序列比對分析，確認所鑑定之蛋白質。甚至可以透過更精確的分析，找尋出可能的蛋白質修飾作用。

蛋白質體學未來的發展在進入後基因體世代 (post-genomic era)，蛋白質體的研究將扮演更重要的角色。相較於基因體，蛋白質體的研究在技術和分析工具上仍存在相當多的挑戰，尤其是未來生物學的研究需要仰賴許多跨領域之尖端技術，如資訊工程、電機工程、物理化學相關基礎研究等等。除了目前研究蛋白質表現的種類與含量的變化外，未來的蛋白質體學還包括了：結構蛋白質體學 (structural proteomics)、功能蛋白質體學 (functional proteomics) 及計算蛋白質體學 (computational proteomics) 等。透過蛋白質體學的進展，將可加速瞭解複雜的蛋白質及生物分子系統的結構及其間之交互作用，闡明蛋白質與生命現象間密切的關係。