研究蛋白质与蛋白质相互作用方法总结-实验步骤[五篇]

第一篇：研究蛋白质与蛋白质相互作用方法总结-实验步骤

研究蛋白质与蛋白质相互作用方法总结-实验步骤

蛋白质与蛋白质之间相互作用构成了细胞生化反应网络的一个主要组成部分，蛋白-蛋白互作网络与转录调控网络对调控细胞及其信号有重要意义。把原来spaces空间上的一篇蛋白质与蛋白质间相互作用研究方法转来，算是实验技巧分类目录的首篇。间相互作用的实验方法比较)

一、酵母双杂交系统

酵母双杂交系统是当前广泛用于蛋白质相互作用组学研究的一种重要方法。其原理是当靶蛋白和诱饵蛋白特异结合后，诱饵蛋白结合于报道基因的启动子，启动报道基因在酵母细胞内的表达，如果检测到报道基因的表达产物，则说明两者之间有相互作用，反之则两者之间没有相互作用。将这种技术微量化、阵列化后则可用于大规模蛋白质之间相互作用的研究。在实际工作中，人们根据需要发展了单杂交系统、三杂交系统和反向杂交系统等。Angermayr等设计了一个SOS蛋白介导的双杂交系统。可以研究膜蛋白的功能，丰富了酵母双杂交系统的功能。此外，酵母双杂交系统的作用也已扩展至对蛋白质的鉴定。

二、噬茵体展示技术

在编码噬菌体外壳蛋白基因上连接一单克隆抗体的DNA序列，当噬菌体生长时，表面就表达出相应的单抗，再将噬菌体过柱，柱上若含目的蛋白，就会与相应抗体特异性结合，这被称为噬菌体展示技术。此技术也主要用于研究蛋白质之间的相互作用，不仅有高通量及简便的特点，还具有直接得到基因、高选择性的筛选复杂混合物、在筛选过程中通过适当改变条件可以直接评价相互结合的特异性等优点。目前，用优化的噬菌体展示技术，已经展示了人和鼠的两种特殊细胞系的cDNA文库，并分离出了人上皮生长因子信号传导途径中的信号分子。

三、等离子共振技术

表面等离子共振技术(Surface Plasmon Resonance，SPR)已成为蛋白质相互作用研究中的新手段。它的原理是利用一种纳米级的薄膜吸附上“诱饵蛋白”，当待测蛋白与诱饵蛋白结合后，薄膜的共振性质会发生改变，通过检测便可知这两种蛋白的结合情况。SPR技术的优点是不需标记物或染料，反应过程可实时监控。测定快速且安全，还可用于检测蛋白一核酸及其它生物大分子之间的相互作用。

(另补充2：检测两种蛋白质之

四、荧光能量转移技术

荧光共振能量转移（FRET）广泛用于研究分子间的距离及其相互作用;与荧光显微镜结合，可定量获取有关生物活体内蛋白质、脂类、DNA 和RNA 的时空信息。随着绿色荧光蛋白（GFP）的发展，FRET 荧光显微镜有可能实时测量活体细胞内分子的动态性质。提出了一种定量测量FRET效率以及供体与受体间距离的简单方法，仅需使用一组滤光片和测量一个比值，利用供体和受体的发射谱消除光谱间的串扰。该方法简单快速，可实时定量测量FRET 的效率和供体与受体间的距离，尤其适用于基于GFP 的供体受体对。

五、抗体与蛋白质阵列技术

蛋白芯片技术的出现给蛋白质组学研究带来新的思路。蛋白质组学研究中一个主要的内容就是研究在不同生理状态下蛋白水平的量变，微型化，集成化，高通量化的抗体芯片就是一个非常好的研究工具，他也是芯片中发展最快的芯片，而且在技术上已经日益成熟。这些抗体芯片有的已经在向临床应用上发展，比如肿瘤标志物抗体芯片等，还有很多已经应用再眼就的各个领域里。

六、免疫共沉淀技术

免疫共沉淀主要是用来研究蛋白质与蛋白质相互作用的一种技术，其基本原理是，在细胞裂解液中加入抗兴趣蛋白的抗体，孵育后再加入与抗体特异结合的结合于Pansobin珠上的金黄色葡萄球菌蛋白A(SPA)，若细胞中有正与兴趣蛋白结合的目的蛋白，就可以形成这样一种复合物：“目的蛋白—兴趣蛋白—抗兴趣蛋白抗体—SPA|Pansobin”，因为SPA|Pansobin比较大，这样复合物在离心时就被分离出来。经变性聚丙烯酰胺凝胶电泳，复合物四组分又被分开。然后经Western blotting法，用抗体检测目的蛋白是什么，是否为预测蛋白。这种方法得到的目的蛋白是在细胞内天然与兴趣蛋白结合的，符合体内实际情况，得到的蛋白可信度高。但这种方法有两个缺陷：一是两种蛋白质的结合可能不是直接结合，而可能有第三者在中间起桥梁作用；二是必须在实验前预测目的蛋白是什么，以选择最后检测的抗体，所以，若预测不正确，实验就得不到结果，方法本身具有冒险性。

七、pull-down技术

蛋白质相互作用的类型有牢固型相互作用和暂时型相互作用两种。牢固型相互作用以多亚基蛋白复合体常见，最好通过免疫共沉淀（Co-IP）、Pull-down技术或Far-western法研究。Pull-down技术用固相化的、已标记的饵蛋白或标签蛋白（生物素-、PolyHis-或GST-），从细胞裂解液中

钓出与之相互作用的蛋白。通过Pull-down技术可以确定已知的蛋白与钓出蛋白或已纯化的相关蛋白间的相互作用关系，从体外传路或翻译体系中检测出蛋白相互作用关系。

检测两种蛋白质之间相互作用的实验方法比较

研究蛋白-蛋白相互作用是理解生命活动的基础。蛋白质—蛋白质互作网络是生物信息调控的主要实现方式，是决定细胞命运的关键因素。检测蛋白质间相互作用的实验方法有哪些？(补充：研究蛋白质与蛋白质相互作用方法总结1)这些检测方法各有什么优缺点？总结如下。1.生化方法

●共纯化、共沉淀，在不同基质上进行色谱层析（需要补充）

●蛋白质亲和色谱 基本原理是将一种蛋白质固定于某种基质上（如Sepharose），当细胞抽提液经过改基质时，可与改固定蛋白相互作用的配体蛋白被吸附，而没有吸附的非目标蛋白则随洗脱液流出。被吸附的蛋白可以通过改变洗脱液或者洗脱条件而回收下来。

GST pull down技术：为了更有效的利用蛋白质亲和色谱，可以将待纯话的蛋白以融合蛋白的形式表达，即将”诱饵“蛋白与一种易于纯化的配体蛋白融合。例如与GST融合的蛋白再经过GSH的色谱柱时，就可以通过GST和GSH的相互作用而被吸附。当载有细胞抽提物经过柱时，就可以得到能够与“诱饵”蛋白相互作用的目标蛋白了。

Epitope-tag技术：表位附加标记技术 就是将附加的抗原融合到目的蛋白以检测目的蛋白的表达，同时还可以通过亲和层析法来纯化目的蛋白。缺点：表位附加标记可能会使融合蛋白不稳定，改变或使融合蛋白功能丧失。

以上两种方法都要共同的缺点：假阳性。实验所检测到的相互作用可能时由蛋白质所带电荷引起的，并不是生理性的相互作用；蛋白的相互作用可能并不是直接的，可是由第三者作为中介的；有时会检测到两种在细胞中不可能相遇却有极强亲和力的蛋白。因此实验结果还应经其他方法验证。

●免疫共沉淀 免疫共沉淀是以抗体和抗原之间的专一性作用为基础的用于研究蛋白质相互作用的经典方法。改法的优点是蛋白处于天然状态，蛋白的相互作用可以在天然状态下进行，可以避免认为影响；可以分离得到天然状态下相互作用的蛋白复合体。缺点：免疫共沉淀同样不能保证沉淀的蛋白复合物时候为直接相互作用的两种蛋白。另外灵敏度不如亲和色谱高。

●Far-Western 又叫做亲和印记。将PAGE胶上分离好的凡百样品转移到硝酸纤维膜上，然后检测哪种蛋白能与标记了同位素的诱饵蛋白发生作用，最后显影。缺点是转膜前需要将蛋白复性。

2.等离子表面共振技术（Surface plasmon resonance）该技术是将诱饵蛋白结合于葡聚糖表面，葡聚糖层固定于几十纳米厚的技术膜表面。当有蛋白质混合物经过时，如果有蛋白质同“诱饵”蛋白发生相互作用，那么两者的结合将使金属膜表面的折射绿上升，从而导致共振角度的改变。而共振角度的改变与该处的蛋白质浓度成线性关系，由此可以检测蛋白质之间的相互作用。该技术不需要标记物和染料，安全灵敏快速，还可定量分析。缺点：需要专门的等离子表面共振检测仪器。

3.遗传学方法 使某处发生缺损，检测对其他地方的影响。

●基因外抑制子。基因外抑制子是通过一个基因的突变来弥补原有基因的突变。比如相互作用的蛋白A和B，如果A发生了突变使两者不再相互作用，此时B如果再发生弥补性突变就可以使两者的相互作用恢复，那么B就是A的基因外抑制子。缺点：需要知道基因，要有表型，筛选抑制子比较费时。

●合成致死筛选 指两个基因同时发生突变会产生致死效应，而当每个基因单独发生突变时则无致死效应。用于分析两个具有相同重要蛋白之间的相互作用。

4.双杂交技术 原理基于真核细胞转录因子的结构特殊性，这些转录因子通常需要两个或以上相互独立的结构域组成。分别使结合域和激活域同诱饵蛋白和猎物蛋白形成融合蛋白，在真核细胞中表达，如果两种蛋白可以发生相互作用，则可使结合域和激活域在空间上充分接近，从而激活报告基因。缺点：自身有转录功能的蛋白会造成假阳性。融合蛋白会影响蛋白的真实结构和功能。不利于核外蛋白研究，会导致假隐性。

5.荧光共振能量转移技术 指两个荧光法色基团在足够近（<100埃）时，它们之间可发生能量转移的现象。荧光共振能量转移技术可以研究分子内部对某些刺激发生的构象变化，也能研究分子间的相互作用。它可以在活体中检测，非常灵敏，分辩率高，能够检测大分子的构象变化，能够定性定量的检测相互作用的强度。缺点 此项技术要求发色基团的距离小于100埃。另外设备昂贵，还需要融合GFP给蛋白标记。

此外还有交联技术（cross－linKing），蛋白质探针技术，噬菌体展示技术（Phage display）以及生物信息学的方法来检测蛋白质之间相互作用

Western杂交是将蛋白质电泳、印迹、免疫测定融为一体的特异性蛋白质的检测方法。其原理是：生物中含有一定量的目的蛋白。先从生物细胞中提取总蛋白或目的蛋白，将蛋白质样品溶解于含有去污剂和还原剂的溶液中，经SDS-PAGE电泳将蛋白质按分子量大小分离，再把分离的各蛋白质条带原位转移到固相膜（硝酸纤维素膜或尼龙膜）上，接着将膜浸泡在高浓度的蛋白质溶液中温育，以封闭其非特异性位点。然后加入特异抗性体（一抗），膜上的目的蛋白（抗原）与一抗结合后，再加入能与一抗专一性结合的带标记的二抗（通常一抗用兔来源的抗体时，二抗常用羊抗兔免疫球蛋白抗体），最后通过二抗上带标记化合物（一般为辣根过氧化物酶或碱性磷酸酶）的特异性反应进行检测。根据检测结果，从而可得知被检生物（植物）细胞内目的蛋白的表达与否、表达量及分子量等情况。

Western杂交方法灵敏度高，通常可从植物总蛋白中检测出50ng的特异性的目的蛋白

第二篇：分子克隆3—蛋白质相互作用研究技术

蛋白质相互作用研究技术

一、双杂交和其他双成分系统

二、用GST融合蛋白进行Far Western 印记来检测蛋白质-蛋白质相互作用

三、用GST融合蛋白沉降技术检测蛋白质-蛋白质相互作用

四、通过免疫共沉淀确定结合蛋白

五、采用GFP和荧光共振能量转移技术测定蛋白质相互作用

六、利用BIAcore通过表面胞质基因共振光谱学分析相互作用的蛋白质

七、。。

导言

一、多数蛋白质研究工作可分为四个类别：

1.二、蛋白质-蛋白质相互作用研究的3个层次

1.研究的目的是确定各种可能与目标蛋白相互作用的蛋白质，此时要撒大网，因此生理意义暂时不被看重；

2.感兴趣的相互作用蛋白质已被确定，研究的目的是通过详细分析生物学功能，来确定相互作用的生理学意义和影响。

3.某中相互作用已被发现，并且被证实是生理性的，此时研究的目的是提供一种高通量的方法，以发现能够按所需的方式调节这种相互作用的试剂。

三、与蛋白质相互作用直接相关的另一领域是分子模建：

四、各种技术应用分析：

1.所列方案（1~6），不能证明观察到的相互作用是直接或间接的，如果研究目的是确定直接相互作用，最终使用的方法中必须采用纯化的蛋白质。

2.特定蛋白质的内在性质在某种程度上决定了哪种技术能有效的用于分析蛋白质相互作用；`` 3.双杂交和基于GST-融合的筛选方法（方案1，2，3）适用于撒大网式的应用研究。方案2，3只是用来确定体外的相互作用,这种体外的相互作用应当进一步在体内通过单独的方法来证实。

4.对于相互作用在生理上的证实和探索，采用内源蛋白质的免疫共沉淀（方案4）和FRET（方案5）的方法更可取；

5.为快速分析过去已确定的相互作用，双杂交和GST沉降分析具有一些明显的优势；

一、双杂交和其他双成分系统

二、用GST融合蛋白进行Far Western 印记来检测蛋白质-蛋白质相互作用(一)`引言

1.细菌表达的谷胱甘肽S-转移酶(GST)融合蛋白被用于直接测定蛋白质-蛋白质相互作用，以及亲和纯化。

2.融合蛋白的设计依赖于所选择的检测方法和计划采用的筛选方式。

[1].对于文库筛选，将尽可能大的探针蛋白包括进去可以增加检测到的相互作用的数目。

[2].如果探针蛋白含有已知的相互作用区，并且他们用于证实预期的相互作用，那么仅含有这些结构区域的融合蛋白可能更好。

3.GST成分可以二聚化并能产生背景。

4.筹划Far Western 印记实验需要考虑的因素：

[1].最重要的因素是：在没有过多降解和不溶解蛋白质的条件下合成融合蛋白的能力。

[2].从不同融合蛋白制备物得到的结果可能有所不同，所以监控融合蛋白的状态是非常重要的，这包括纯化期间和纯化后，如果蛋白质被存放，还包括使用前后。[3].有助于确认蛋白质-蛋白质相互作用特异性的两个对照是 a)用融合蛋白突变体探测，这种突变体可以破坏相互作用； b)用标记GST来探测膜。？

[4].最终，还要确定是否用变性/复性循环来探测膜，这样设计是为了使错误折叠的蛋白质重新折叠成天然构像。

a)从SDS-PAGE转移到膜的蛋白质通常不需要变性和复性，如果在检测SDS-PAGE时没有产生蛋白质-蛋白质相互作用，那么引入变性/复性过程可能产生阳性结果； b)在探测表达文库覆盖印记的滤膜时，许多研究人员发现变性/复性是必需的步骤。[5].5 5.5(二)实验方案

1.Materials [1].缓冲液和溶液 [2].2.Methods: [1].放射标记蛋白探针的制备 [2].探测膜

3.3(三)注意事项

三、用GST融合蛋白沉降技术检测蛋白质-蛋白质相互作用

(一)`引言

1.GST-pull down 利用了GST对谷胱甘肽偶联球珠的亲和性，从非相互作用蛋白的溶液中纯化相互作用蛋白。该技术对探测蛋白质在溶液中的相互作用特别有用，而这种相互作用在膜的分析中可能是检测不到的。2.GST-pull down通常有两种应用：

1)确定融合（或探针）蛋白与未知（或靶）蛋白间新的相互作用；

a)未知蛋白可能受浓度的限制，为确定新的相互作用，未知蛋白质必须以足够的量存在，以使这种相互作用能用所选择的检测方法观察到。b)放射标记的细胞裂解液时最常用的蛋白质来源

c)在实验前要考虑：实验目的，探针蛋白的表达等。2)证实探针蛋白与已知蛋白间可疑的相互作用；

a)各种蛋白质来源可用于确定和探询这种相互作用。

b)用于检测相互作用的方法是由能否获得对靶蛋白的抗体来决定的；如果抗体得不到，那么就可利用S标记的体外翻译蛋白或靶蛋白用表位做标签。必要时，可用编码蛋白的质粒转然培养细胞，以增加分析蛋白质的丰度。c)控制质量作用（如非特异性聚集）的影响，并确认探针蛋白同靶蛋白分子间结合的特异性是非常重要的。

d)结合特异性的最好控制是包括一种带有突变相互作用域的GST融合蛋白，丧

35失与这种突变探针蛋白的结合就表明靶和探针间的正常结合是特异性的。e)测试假定靶蛋白与GST间的结合也很重要。

3)3

这两种实验的设计和实施都有所不同。

3.GST-pull down必须对每个蛋白质复合物的分析进行优化：

1)发生相互作用的缓冲液；

2)与融合（探针）蛋白混合的把蛋白的量；所需材料的量主要由把蛋白的丰度和相互作用的亲和力决定（实验开始时两个参数通常是未知的。）3)清洗球珠的条件； 4.4(二)实验方案 A.材料

1.缓冲液和溶液

1）裂解缓冲液：? 2）50%谷胱甘肽琼脂糖球珠悬液：在裂解缓冲液中配。（Beads are often supplied by commercial vendors in solutions containing alcohols.It is important to wash the beads thoroughly in GST pull-down lysis buffer and to generate a 50/50 slurry of beads in GST pull-down lysis buffer prior to use.）

3）溶于50mmol/L Tris-Cl(pH 8.0)中的还原型谷胱甘肽（20mmol/L）

（glutathione;γ-L-glutamyl-L-cysteinylglycine, GSH）

4）

2.专用设备

1)沸水浴

2)翻转样品旋转仪（有，无？）3)谷胱甘肽琼脂糖球珠 3.细胞和组织 4.附加试剂 B.方法

预清除细胞裂解液

1.将细胞裂解液与50l的50%谷胱甘肽琼脂糖球珠悬液和25g GST在4℃翻转混合孵育2h（实验室内如何实现？）。需要检测相互作用的裂解液的量是高度可变的。开始用1×106~1×107个细胞的裂解液。（细胞裂解液提前制备好是否可以？若提前制备好，放于4℃还是-20℃）

a)预清除步骤主要是从裂解液中除去与GST成分或球珠有非特异性相互作用的蛋白质。b)如果相互作用的检测主要是用针对候选相互作用蛋白质的抗体，那么做预清除并不总是必须的。包含两种对照很重要：GST加球珠和仅有球珠。

c)在用35S标记的细胞裂解液用于确定新的蛋白质-蛋白质相互作用时，预清除步骤有助于降低本底。

d)实验的目的是比较GST与GST融合蛋白，有必要对每个反应制备足够量的预清除细胞裂解液。（多少算足够？以蛋白质的浓度定？还是靶蛋白的表达量来定？）

e)试剂有效的混合是成功的关键，为达到此目的，反应应在一个合理的体积中进行：一个好的起始值是500~1000l。

2.在微量离心机上以最大速度在4℃离心混合物2min。（13,000 rpm）3.将上清（就是预清除的细胞裂解液）转移到新的离心管中。

探测细胞裂解液

4.设定两个含等量预清除细胞裂解液及50l的50%谷胱甘肽琼脂糖球珠悬液的微量离心管。在一个管中加约（~5-10 µg）的GST蛋白，另一管中加约（~5-10 µg）的GST融合探针蛋白。将离心管在4℃翻转混合孵育2h。两个反应中加入的探针和对照蛋白终浓度应该是相同的。（终浓度相同的意义是什么？如果融合蛋白不纯化，如何确保其浓度相同？）

5.在微量离心机上以最大速度离心样品2min。（13,000 rpm）（谷胱甘肽琼脂糖球珠的分子量，其连上蛋白后是否可以沉淀下来？）

6.在新的离心管中收集上清。这些样品可通过步骤10中的SDS-PAGE进行分析。（进行分析的目的：How much of the interacting protein was depleted from the total cell lysate.以优化实验条件）

7.用1ml冰冷的裂解液洗球珠。在微量离心机上以最大速度离心混合物1min。弃去上清。重复洗三次。（4次---cold spring harbor protocol）8.（可选）加入50l 20mmol/L的还原型谷胱甘肽到球珠中，洗脱GST融合蛋白及任何与其结合的蛋白质。在微量离心机上以最大速度离心2min。（洗脱方法的缺点：若多次洗脱，最后终体积较大，后续上样较麻烦。所以多数研究者选择将球珠煮沸以使目的蛋白与GST融合蛋白分离。）

9.将球珠（来自步骤7）或洗脱蛋白质（来自步骤8）与等体积的2×SDS-PAGE上样缓冲液混合。

检测相互作用蛋白质

10.将样品煮沸4min并作SDS-PAGE分析。

11.检测与GST融合蛋白结合的蛋白质的方法取决于细胞裂解液是否被的目的。

5S标记以及实验a)如果目的是检测与融合蛋白结合的所有的35S标记的蛋白，就在干胶仪上将胶抽干，并用X线胶片曝光进行放射自显影。

b)如果目的是检测特异性结合的蛋白质，就将蛋白质从SDS-PAGE转移到膜上，进行免疫印迹分析。

c)如果目的是确定与融合蛋白结合的蛋白质的大小和丰度，而这些蛋白质是来自非放射性的裂解液，就用考马斯亮蓝或硝酸银将胶染色。

(三)注意事项

四、通过免疫共沉淀确定结合蛋白

(一)`引言(二)实验方案

A.材料 1.缓冲液和溶液 2.专用设备 3.细胞和组织 4.附加试剂

B.方法

(三)注意事项

五、采用GFP和荧光共振能量转移技术测定蛋白质相互作用

(一)`引言(二)实验方案

A.材料 5.缓冲液和溶液

6.专用设备 7.细胞和组织 8.附加试剂

B.方法

(三)注意事项

六、利用BIAcore通过表面胞质基因共振光谱学分析相互作用的蛋白质

(一)`引言(二)实验方案(三)注意事项

第三篇：核磁共振方法研究蛋白质结构

核磁共振方法研究蛋白质结构

维特里希教授创建的方法是对水溶液中的蛋白质样品测定一系列不同的二维核磁共振图谱，然后根据已确定的蛋白质分子的一级结构，通过对各种二维核磁共振图谱的比较和解析，在图谱上找到各个序列号氨基酸上的各种氢原子所对应的峰。有了这些被指认的峰，就可以根据这些峰在核磁共振谱图上所呈现的相互之间的关系得到它们所对应的氢原子之间的距离。可以想象，正是因为蛋白质分子具有空间结构，在序列上相差甚远的两个氨基酸有可能在空间距离上是很近的，它们所含的氢原子所对应的NMR峰之间就会有相关信号出现。通常，如果两个氢原子之间距离小于0.5纳米的话，它们之间就会有相关信号出现。一个由几十个氨基酸残基组成的蛋白质分子可以得到几百个甚至几千个这样与距离有关的信号，按照信号的强弱把它们转换成对应的氢原子之间的距离，然后运用计算机程序根据所得到的距离条件模拟出该蛋白质分子的空间结构。该结构既要满足从核磁共振图谱上得到的所有距离条件，还要满足化学上有关原子与原子结合的一些基本限制条件，如原子间的化学键长、键角和原子半径等。

从1980年代初维特里希教授发展出这种方法至今，核磁共振技术在生物大分子的结构研究方面有了飞速的发展，一方面是由于仪器技术本身的发展，能够产生的磁场越来越强；计算机的计算速度也越来越快，更多地是由于实验方法上的创新和发展，由二维的核磁共振实验发展成三维甚至更多维的实验；借助于基因技术可以得到同位素富集的蛋白质样品,核磁共振的实验也从原来单一的核发展到三种甚至四种核同时在一个实验中共振而产生相关信号。核磁共振方法的应用范围也从原来单一的蛋白质分子的空间结构研究发展到蛋白质动力学方面的研究，蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸以及小分子的相互作用和药物筛选中蛋白质分子与药物分子的结合等方面。随着人类基因组学和蛋白质组学研究的不断深入，蛋白质结构组学的研究也会随之兴起，核磁共振技术在这方面的应用会更多更广。这些应用的需求反过来也会促进核磁共振技术本身的进步和发展，使之更趋成熟和完善

H-HCOSY是确定质子间偶合关系的有力工具，就这种作用来说，它相当于多次质子同核自旋去偶实验，但二者各有长处。H-HCOSY中的相关峰（或称交叉峰）主要反映的是2J和3J偶合关系，偶尔会出现远程相关峰。

TOCSY（全相关谱，TOtal Correlation Spectroscopy）

可以找到同一偶合体系中所有氢核的相关信息，也就是说，从某一个氢核的信号出发，能找到与它处在同一个自旋系统中所有质子的相关峰。这是一种很有用的2DNMR技术。

COSY通常只能看到相邻碳的氢的相关，（有时稍微远一点）。但是TOCSY顺着化学键可以看到相隔若干个碳的氢相关。因此TOCSY谱图繁杂得多，不过也确实很有用。所需要时间和COSY差不多。

核磁共振ROESY和NOESY的区别及 适用范围

核磁共振ROESY和NOESY的区别及 适用范围

答案一： 在1000~3000用ROESY，小于1000大于3000用NOESY。

答案二： ROESY是旋转坐标系下的NOESY。小分子的NOE是反相的，大分子是正相的。当分子量接近2000时，NOE趋于0。在旋转坐标系下NOE始终为正，故测2000左右的样品时须用ROESY。

答案三：

NOESY：Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy 二维NOE谱

ROESY：Rotating Frame Overhauser Effect Spectroscopy 旋转坐标系NOE谱

相同点：

1)都是二维核磁共振实验(包括同核和异核实验)。同核实验主要有1H-1H COSY，TOCSY，E.COSY, NOESY，ROESY，relay-NOESY等实验，主要用于自旋体系(残基内部)的谱峰确认，耦合常数的测定，顺序识别，以及由NOE交叉峰的强度得出质子间距离约束条件。这也是非标记样品所能进行的主要实验。

2)都是检测 H-H 的空间相关, 距离3.5-5 A，可以考察化合物的立体结构;

不同点：

1)分子量在 1000-3000范围，建议使用 roesy;小于1000和大于3000的化合物宜做NOESY。

2)noesy 是相敏图, 在对角峰附近的分辨率较差;

3)roesy 得到的都是吸收谱，因此有相信号点(交叉峰)距离对角峰近的可以考虑使用 roesy。

氢原子在分子中的化学环境不同,而显示出不同的吸收峰,峰与峰之间的差距被称作化学位移；化学位移的大小,可采用一个标准化合物为原点,测出峰与原点的距离,就是该峰的化学位移,现在一般采用(CH3)4Si(四甲基硅烷TMS)为标准化合物,其化学位移值为0 ppm.处在不同环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同,在图谱上出现的位置也不同,利用化学位移,峰面积和积分值以及耦合常数等信息,进而推测其在碳骨架上的位置.二维核磁共振波谱的基本原理

二维核磁共振谱的出现和发展，是近代核磁共振波谱学的最重要的里程碑。极大地方便了核磁共振的谱图解析。

二维核磁共振谱是有两个时间变量，经两次傅里叶变换得到的两个独立的频率变量图一般把第二个时间变量t2表示采样时间，第一个时间变量t1则是与 t2无关的独立变量，是脉冲序列中的某一个变化的时间间隔。

二维核磁共振谱的特点是将化学位移、耦合常数等核磁共振参数展开在二维平面上，这样在一维谱中重叠在一个频率坐标轴上的信号分别在两个独立的频率坐标轴上展开，这样不仅减少了谱线的拥挤和重叠，而且提供了自旋核之间相互作用的信息。这些对推断一维核磁共振谱图中难以解析的复杂化合物结构具有重要作用。

划分区域

一个二维核磁共振试验的脉冲序列一般可划分为下列几个区域：

预备期(preraration)—演化期 t1(evolution)—混合期tm(mixing)—检测期t2(detection)。检测期完全对应于一维核磁共振的检测期，在对时间域t2进行Fourier变换后得到F2频率域的频率谱。二维核磁共振的关键是引入了第二个时间变量演化期 t1。当样品中核自旋被激发后，它以确定频率进动，并且这种进动将延续相当一段时间。在这个意义上讲，我们可以把核自旋体系看成有记忆能力的体系，Jeener就是利用这种记忆能力，通过检测期间接演化期中核自旋的行为。

氢的核磁共振谱提供了三类极其有用的信息：化学位移、偶合常数、积分曲线。应用这些信 息，可以推测质子在碳胳上的位置。

根据前面讨论的基本原理，在某一照射频率下，只能在某一磁感应强度下发生核磁共振。例如：照射频率为60 MHz，磁感应强度是 14.092 Gs(14.092×10^-4 T），100 MHz—23.486

Gs(23.486×10^-4

T），200

MHz—46.973 Gs(46.973×10^-4 T）。600 MHz—140.920 Gs(140.920×10^-4 T）。但实验证明：当1H在分子中所处化学环境（化学环境是指1H的核外电子以及与1H 邻近的其它原子核的核外电子的运动情况）不同时，即使在相同照射频率下，也将在不同的共振磁场下显示吸收峰。下图是乙酸乙酯的核磁共振图谱，图谱表明：乙酸乙酯中的8个氢，由 于分别处在a，b，c三种不同的化学环境中，因此在三个不同的共振磁场下显示吸收峰。同种核由于在分子中的化学环境不同而在不同共振磁感应强度下显示吸收峰，这称为化学位移（chemical shift）。化学位移是怎样产生的？分子中磁性核不是完全裸露的，质子被价电子包围着。这些电子 在外界磁场的作用下发生循环的流动，会产生一个感应的磁场，感应磁场应与外界磁场相反（楞次定律），所以，质子实际上感受到的有效磁感应强度应是外磁场感应强度减去感应磁场强度。即

B有效=B0(1-σ）=B0-B0σ=B0-B感应

外电子对核产生的这作用称为屏蔽效应（shielding effect），也叫抗磁屏蔽效应（diamagnetic effect）。称为屏蔽常数（shielding constant）。与屏蔽较少的质子比较，屏蔽多的质子对外磁场感受较少，将在较高的外磁场B0作用下才能发生共振吸收。由于磁力线是闭合的，因此感应磁 场在某些区域与外磁场的方向一致，处于这些区域的质子实际上感受到的有效磁场应是外磁场B0加上感应磁场B感应。这种作用称为去屏蔽效应（deshielding effect）。也称为顺磁去屏蔽效应（paramagnetic effect）。受去屏蔽效应影响的质子在较低外磁场B0作用下就能发生共振吸收。综上所述：质子发生核磁共振实际上应满足：

ν射=γB有效/2π

因在相同频率电磁辐射波的照射下，不同化学环境的质子受的屏蔽效应各不相同，因此它们发生 核磁共振所需的外磁场B0也各不相同，即发生了化学位移。

对1H化学位移产生主要影响的是局部屏蔽效应和远程屏蔽效应。核外成键电子的电子云 密度对该核产生的屏蔽作用称为局部屏蔽效应。分子中其它原子和基团的核外电子对所研究的 原子核产生的屏蔽作用称为远程屏蔽效应。远程屏蔽效应是各向异性的。化学位移的差别约为百万分之十，要精确测定其数值十分困难。现采用相对数值表示法，即选用一个标准物质，以该标准物的共振吸收峰所处位置为零点，其它吸收峰的化学位移值根据这 些吸收峰的位置与零点的距离来确定。最常用的标准物质是四甲基硅（CH3)4Si简称TMS。选TMS为标准物是因为：TMS中的四个甲基对称分布，因此所有氢都处在相 同的化学环境中，它们只有一个锐利的吸收峰。另外，TMS的屏蔽效应很高，共振吸收在高场出现，而且吸收峰的位置处在一般有机物中的质子不发生吸收的区域内。现规定化学位移用δ来 表示，四甲基硅吸收峰的δ值为零，其峰右边的δ值为负，左边的δ值为正。测定时，可把标准物与样品放在一起配成溶液，这称为内标准法。也可将标准物用毛细管封闭后放人样品溶液中进 行测定，这称为外标准法。此外，还可以利用溶剂峰来确定待测样品各个峰的化学位移。

由于感应磁场与外磁场的B0成正比，所以屏蔽作用引起的化学位移也与外加磁场B0成正 比。在实际测定工作中，为了避免因采用不同磁感应强度的核磁共振仪而引起化学位移的变化，δ一般都应用相对值来表示，其定义为

δ=(ν样-ν标)/ν仪×10^6 ④

在式④中，ν样和ν标分别代表样品和标准化合物的共振频率，ν仪为操作仪器选用的频率。多数有机物的质子信号发生在0～10处，零是高场，10是低场。需注意也有一些质子的信号是在小于0的地方出现的。如安扭烯的环内的质子，受到其外芳环磁各向异性的影响，甚至可以达到-2.99。此外，在不同兆数的仪器中，化学位移的值是相同的。化学位移取决于核外电子云密度，因此影响电子云密度的各种因素都对化学位移有影响，影 响最大的是电负性和各向异性效应。

⑴电负性（诱导效应）

电负性对化学位移的影响可概述为：电负性大的原子（或基团）吸电子能力强，1H核附近的吸电子基团使质子峰向低场移（左移），给电子基闭使质子峰向高场移（右移）。这是因为吸电子基团降低了氢核周围的电子云密度，屏蔽效应也就随之降低，所以质子的化学位 移向低场移动。给电子基团增加了氢核周围的电子云密度，屏蔽效应也就随之增加，所以质子的 化学位移向高场移动。下面是一些实例。

实例一： 电负性 C 2.6 N 3.0 O 3.5 δ C—CH3(0.77～1.88)N—CH3(2.12～3.10)O—CH3(3.24～4.02)实例二： 电负性 Cl 3.1 Br 2.9 I 2.6 δ CH3—Cl(3.05)CH2—Cl2(5.30)CH—Cl3(7.27)CH3—Br(2.68)CH3—I(2.16)电负性对化学位移的影响是通过化学键起作用的，它产生的屏蔽效应属于局部屏蔽效应。

⑵各向异性效应

当分子中某些基团的电子云排布不呈球形对称时，它对邻近的1H核产 生一个各向异性的磁场，从而使某些空间位置上的核受屏蔽，而另一些空间位置上的核去屏蔽，这一现象称为各向异性效应（anisotropic effect）。

除电负性和各向异性的影响外，氢键、溶剂效应、van der Waals效应也对化学位移有影响。氢键对羟基质子化学位移的影响与氢键的强弱及氢键的电子给予体的性质有关，在大多数情况 下，氢键产生去屏蔽效应，使1H的δ值移向低场。有时同一种样品使用不同的溶剂也会使化学位移值发生变化，这称为溶剂效应。活泼氢的溶剂效应比较明显。

当取代基与共振核之间的距离小于van der Waals半径时，取代基周围的电子云与共振核周围的电子云就互相排 斥，结果使共振核周围的电子云密度降低，使质子受到的屏蔽效应明显下降，质子峰向低场移动，这称为van der Waals效应。氢键的影响、溶剂效应、van der Waals效应在剖析NMR图谱时很有用。

（3）共轭效应

苯环上的氢若被推电子基取代，由于P-π共轭，使苯环电子云密度增大，质子峰向高场位移。而当有拉电子取代基则反之。对于双键等体系也有类似的效果。

第四篇：蛋白质-配基相互作用的鉴定

10.蛋白质－配基相互作用的鉴定

Timothy Palzkill 张晓君、毛跃建、李旻、张晶、赵琴丽、徐灵筠译；申剑初校；张晓君修校

10.1 前言

基因组测序计划已鉴定了大量的以前未知的基因。然而，甚至对于已被深入研究的模式生物，如大肠杆菌和酿酒酵母，大约三分之一的基因的功能仍未知。了解基因组中所有基因的功能的挑战促进了高通量实验技术的发展，并因此推动了大规模描绘蛋白质－蛋白质以及蛋白质－配基的相互作用。

蛋白质－蛋白质相互作用在功能性细胞内扮演着重要的角色。在基因组规模上确定蛋白质的相互作用可建立蛋白质相互作用网络，这种网络可为基因产物的功能提供重要的线索。例如，如果一个未知功能的蛋白可与已知功能的一族蛋白相互作用，说明这个蛋白与它们具有相同的功能（Schwikowski等，2000）。蛋白质－蛋白质相互作用的鉴定可以通过提供它们与复合体的结合模式为生物学过程的机制的了解提供新观点。例如，即使知道一类蛋白参与某个生物学过程，我们也不知道这些蛋白是否或怎样与复合体相互作用以实现它们的功能。蛋白质－蛋白质作用谱图提供了蛋白质相互作用的详细信息因此提供复合体组织的精确信息。

本章综述了在基因组规模上蛋白质相互作用的研究方法。包括如酵母双杂交系统的在体方法和一些体外方法，如质谱、噬菌体展示和蛋白芯片等。10.2 开放阅读框的高通量克隆

测定基因组规模的蛋白功能的功能基因组研究依赖于开放阅读框的高效克隆。开放阅读框必须被克隆到可以大规模表达或便利地对编码蛋白进行功能性分析的质粒载体。由于所有蛋白不可能在一个系统中得到一样好的表达，对所感兴趣的基因应构建到多个蛋白表达系统。例如，用各种细菌的启动子测定可以确定哪个系统最适合表达。此外，对于功能分析，将感兴趣的基因插入载体用于噬菌体展示、双杂交分析或谷胱苷肽S转移酶（GST）融合。如果我们使用传统的采用限制性内切酶和DNA连接酶的克隆技术，构建这样一套载体所用的时间和费用将是不可想象的。但是，替代的新方法已可以便利地快速克隆PCR产物。10.2.1 λ噬菌体att重组克隆 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 λ噬菌体位点专一重组系统已被用于创建有效的克隆系统。λ噬菌体具有裂解和溶源循环。在溶源循环，噬菌体不复制而将DNA整合到宿主的染色体上（Ptashne，1992）。一旦λ噬菌体感染后，溶源过程马上开始，λDNA环化、Int蛋白启动环状DNA整合入染色体。Int蛋白催化λ噬菌体结合位点（aatP）和E.coli结合位点(aatB)的位点专一的重组。一个称为整合宿主因子（IHF）的E.coli宿主蛋白对λDNA的整合也是必需的（Landy,1989）。整合反应具有高度的序列专一性，没有任何核苷酸的冗余与缺少。这个位点专一的重组并非同源重组，因为attB和attP有很大差异。这个位点有15个碱基对的核心序列5＇-GCTTTTTTATACTAA。由于同源的区域很小，在没有Int蛋白时重组无法进行。attB和attP 重组后的位点称为attL和attR（图10.1）(Landy,1989).λ噬菌体DNA 保持为前噬菌体状态直到宿主细胞被损坏（Ptashne，1992）。DNA损伤引发λint和xis基因的表达。Int和Xis表达产物催化细菌染色体上λDNA的剪切。在aatL和aatR位点的剪切产生aatB和aatP位点。剪切反应并非整合反应的简单的逆向反应，除了Int和IHF蛋白还需要Xis蛋白（Landy，1989）。所以，利用适当的重组蛋白可以控制重组反应的方向。

λ重组克隆系统方法就是将两端带有att重组位点的DNA和载体与整合蛋白一起保温使DNA片段插入载体（Hartley等，2000）。这个系统被称为重组克隆(RC)（Hartley等，2000）。此系统可被用于直接将PCR片段克隆到载体而无需DNA连接酶。插入PCR片段的反应是attB＋attP>attL＋attR，与λ噬菌体插入相似也是被另加的Int和IHF蛋白催化。反应底物是带有attB位点的PCR片段和两端带有attP的选择性标记的质粒（图10.1）。与λ噬菌体插入不同的是，此反应用了两个attB 和两个attP，此外，att位点被突变使attB1只能与attP1而非attP2重组。att位点的改造使得PCR片段可以直接克隆到载体（图10.1）(Hartley等，2000)。

以RC法克隆PCR片段的最后结果是载体带有两端含attL位点的标记基因。此质粒被称为起始克隆(Entry clone)，因为它可以通过重组反应来产生各种功能载体（Hartley等，2000）。用于载体转换的反应是attL+attR>attB+attP, 类似于λ噬菌体被Int、Xis和IHF蛋白剪切（Landy，1989）。通过对两种载体和Int、Xis及IHF蛋白的共同温育，起始克隆的基因被转到带转录启动子和蛋白标签的60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 目的载体。该反应不同于λDNA从染色体的切除，因为起始克隆带两个attL位点且目的载体带两个attR位点（Hartley等，2000）。att位点被突变以保证只在attL1和attR1 及attL2与attR2之间发生重组。重组反应通过形成一个复合体来进行，而且最终将形成一个带有感兴趣的基因及启动子和标签序列的目的载体图10.1)。

RC 系统最近被用于几个大规模克隆工程。例如，从Caenorhabditis elegans中克隆基因以酵母双杂交系统构建用于蛋白质表达和分析蛋白质相互作用的载体（walhout等，2000）。到最近为止已用此系统克隆了超过12000个C.elegans的基因（Reboul等，2003）。此外，大于100个人cDNA已用此法克隆创建了一套起始克隆。这些克隆以适合的载体转为GFP融合载体，测定了这些cDNA表达的蛋白的细胞定位（Simpson等，2000）。10.2.2 拓扑异构酶法克隆

痘病毒拓扑异构酶I载体

另一条避免DNA连接酶的克隆途径是拓扑异构酶介导的克隆。此法利用痘病毒DNA拓扑异构酶I以很高的序列专一性切断和连接DNA链（Shuman，1992a,b）。反应时，酶识别5’-CCCTT序列并在末尾的T切开，在断开链的3’磷酸基团与酶分子的酪氨酸残基之间形成共价键（图10.2）。共价复合物可以与带5’羧基并与复合物的尾部互补的异源受体DNA形成重组分子（Shuman，1994）。

拓扑异构酶I克隆利用上述的反应将DNA片段连接到带5’羧基并可与拓扑异构酶共价结合的受体质粒。反应只在有自由的5’羧基的DNA存在时才会发生，这很有利于克隆PCR产物，因为当用不带5’磷酸的引物扩增的产物都不带5’磷酸基团（Shuman，1994）。最近这个方法被用于从酿酒酵母克隆了6035个开放读码框到一个酵母蛋白表达质粒和一个哺乳动物表达载体（Heyman等，1999）。原始的拓扑异构酶克隆方法的缺点是PCR产物可以任意方向插入。克隆系统最近被改进可以对PCR产物进行定向克隆（图10.2）。该系统仅需要在设计引物时在引物的5’末端加入5’CACC。5’CACC序列与质粒－拓扑异构酶复合体的5’端互补，由此控制PCR产物的插入方向（图10.2）。此系统被用于从梅毒病源Treponema pallidum的基因组克隆了99％的开放读码框（McKevitt等，2003）。拓扑异构酶I克隆方法提高了克隆的效率，可以将大量的开放读码框插入到质粒89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 载体。

10.2.3 酵母的在体重组克隆

通过转化克隆

上述的λ重组克隆系统利用体外重组然后转化到E.coli细胞。替代的体内方法利用酵母高效的同源重组机制克隆了大于99％的酿酒酵母基因（～6000）（Uetz等，2000）。这用两步PCR完成，首先，一套大约6000个引物对从酿酒酵母中扩增它的开放读码框,每个正向引物有特定开放读码框的序列和5’端22碱基的所有引物相同的序列，反向引物有特定开放读码框序列和20碱基的共有序列（图10.3）。6000个开放读码框随后被分别扩增得到一套PCR产物。第二套PCR反应引物以第一套PCR所用引物中的共有序列为基础。正向引物取22碱基共有序列，反向引物取20碱基共有序列，另外还带有50碱基与作为受体质粒的酵母载体克隆位点两侧的序列同源的序列（Hudson等，1997；Uetz等，2000）。PCR产物将在两端各带有70碱基的序列，它们与受体载体的克隆位点两侧的70碱基同源。

每个PCR产物与被限制性内切酶在克隆位点切开而线性化的受体载体一起转化到酵母（图10.3）。在PCR产物的两端70碱基的同源序列足以使酵母的同源重组系统将PCR插入到载体中（Hudson等，1997；Ma等1987）。10.2.4 重组克隆系统的优缺点

每个重组克隆方法都是将PCR产物克隆入期望的载体序列的有效手段。拓扑异构酶克隆的主要优点是对扩增每个ORF所用的引物的5’端所需要的额外序列最小。只需要在正向引物5’端加四个碱基即可有效地进行定向克隆，而不需在反向引物添加额外核苷酸。但以λ重组克隆系统克隆PCR产物却需要在正向和反向引物都加25个额外的核苷酸（Hartley等，2000）。

以酵母重组克隆PCR产物的主要优点是简单易行。但是由于需要在PCR产物的两端带有至少50bp的与载体的序列同源的序列，因此需要进行两轮的PCR反应。多轮PCR反应会增加PCR产物的序列发生突变的可能性。此外，第一轮PCR反应的引物在每个ORF之外又额外增加了20到22个碱基序列，这将会增加引物合成的成本。

总之，重组的克隆方法极大地便利了大量的开放读码框的高通量克隆。而这又使下面讨论的功能基因组实验变得可行。118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 10.3 酵母双杂交选择系统

酵母双杂交系统是研究蛋白质相互作用的有力工具。它是基于位点专一的转录激活子的模块特性（Fields和Song，1989）。杂交蛋白由蛋白X 与DNA结合域的融合及蛋白Y与转录激活域的融合组成。如果蛋白X和蛋白Y发生相互作用，将会重建转录因子并导致报告基因的表达（图10.4）。DNA结合域常被称为“诱饵”，而激活域被称为“陷阱”。

数个不同版本的双杂交系统被广泛地使用。大多使用DNA结合域与Gal4转录因子的融合。另一个版本利用将E.coli LexA的DNA结合域融合到感兴趣的蛋白的氨基端来创建‘陷阱’。这个系统需要在报告基因的上游设置一个LexA结合位点。陷阱由Gal4激活域或另外的酸性激活域组成，如E.coli序列的B42。这个陷阱可以与Gal4或LexA的DNA结合域“诱饵”搭配（Brent和Finley，1997）。各种诱饵的常用的报告基因是E.coli的lacZ基因，它编码半乳糖苷酶。Gal4或LexA的结合位点设置于lacZ基因的上游。蛋白的相互作用以激活域与DNA结合域共同激活lacZ基因的转录进行检测（Fields和Song，1989）。基因激活可通过β半乳糖苷酶的产物使克隆在X－Gal平板上显蓝色来检测。

使用双杂交系统的难点在于消除假阳性。假阳性克隆来自于诱饵和陷阱蛋白的非专一的结合所导致的报告基因的转录的激活。例如，任何诱饵蛋白的自我激活转录就会导致假阳性。但自我激活转录可以通过用构建的诱饵克隆筛选报告基因的激活而消除。某些报告系统具有很高的假阳性背景（James等，1996）。为克服这些问题，新版的双杂交系统使用多个表型的报告基因检测基因的激活。在一个新的版本中，使用了HIS3、ADE2和lacZ为报告基因（James等，1996）。此外，此系统利用不同的Gal4启动子，使HIS3处于Gal1的启动子的控制之下，ADE2处于Gal2启动子控制，LacZ处于Gal7启动子控制。蛋白质相互作用以酵母在缺乏组氨酸的平板上的生长来鉴定。假阳性通过用克隆颜色筛选来评定腺嘌呤和lacZ标记来消除（James等，1996）。使用受不同启动子控制的多报告基因可以提供高灵敏度和低假阳性背景值（Brent和Finley，1997;James等，1996）。双杂交法最流行的用途就是从与LexA和Gal4的融合诱饵作用的激活域文库中分离新蛋白。激活域文库可由从插在激活域C末端的cDNA或基因组DNA片段组成。新的相互作用蛋白通过将激活域文库引入含有融合到DNA结合域的感兴147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 趣的蛋白的酵母株中并以上述的报告系统分离克隆来进行鉴定（Bai和Elledge，1997）。许多实验室使用了此方法并鉴定了很多新的相互作用蛋白（Schwikowski等，2000）。

10.3.1 酵母中基因组范围的蛋白质相互作用分析

高通量酵母双杂交筛选

酿酒酵母全基因组序列的公布推动了在基因组范围用双杂交方法和从所有酵母ORF扩增克隆的基因来绘制蛋白质相互作用谱（Hudson等，1997;Uetz等，2000）。已大规模实施了两类双杂交实验。用芯片法，融合到Gal4的DNA结合域或激活域的每个ORF被排列到芯片上，与其作用的反向融合分别以芯片进行筛选以鉴定相互作用克隆。而复杂的文库筛选方法用一套克隆的ORF创建融合文库，每个ORF融合与文库杂交来鉴定相互作用克隆。

在第一个大规模芯片实验中，一套大约6000个基因分别被克隆融合到GAL4激活域（Hudson等，1997）并转化入双杂交报告株。每个菌株分别接入384孔板的一个孔内，16个这种板装有大约6000株克隆并组成了一个活的蛋白矩阵（Uetz等，2000）。一套192个酵母基因分别被融合到Gal4 DNA结合域并转化到相反杂交型的报告株，以此作为激活域克隆系列。192个诱饵株的每一个与约6000个陷阱株分别在芯片上进行交配以系统地筛选蛋白质相互作用（Uetz等，2000）（图10.5）。发现192个DNA结合域融合中有87个参与了蛋白质相互作用，一共有281个作用对。

最早实施的复杂文库筛选将6000个克隆的Gal4激活域融合分别地收集入单个的池（pool）（Uetz等，2000）。然后6000个酵母基因分别融合入Gal4 DNA 结合域。成组的激活域融合与6000个Gal4 DNA 结合蛋白融合分别进行杂交（图10.5）。可能的相互作用以报告基因鉴定，12个产生相互作用的克隆测定了序列以对激活域融合进行鉴定。在692个蛋白质相互作用对中共发现817个ORF参与（Uetz等，2000）。有趣的是，192个蛋白中的45％在蛋白芯片实验中发生相互作用，而5345个可能的ORF中只有8％在用6000个陷阱高通量筛选时发现了相互作用。因此，尽管芯片筛选为低通量，它可产生相对更多的相互作用子。这可能是由于在高通量实验当中，把所有的激活域克隆都用于筛选相互作用时，其中也包括了生长迟缓和交配能力降低的细胞（Uetz等，2000）。结果表明，两176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 种方法筛选鉴定得到的相互作用系列有所不同，具有方法上的差异性。Ito和他的同事（2001）提出一个高通量复杂文库筛选方法。构建了酵母6000个ORF的DNA结合域融合和激活域融合（图10.6）。DNA结合域和激活域融合转化到相反交配型的酵母受体株并组成62套每套96个ORF的融合。为测定可能的相互作用，在DNA激活域和结合域间实施了3844个（62×62）交配反应。交配后，包含相互作用的蛋白的二倍体以多个报告基因进行筛选。PCR扩增DNA结合域与激活域融合的插入片段，测序后鉴定相互作用的克隆。结果总共发现了3268个酵母蛋白参与了4549对相互作用（Ito等，2001）。当作者只考虑那些至少出现三次的相互作用时，构成一个由797个蛋白和806对相互作用对的核心群组（Ito等，2001）。

对上述的高通量文库筛选法鉴定的相互作用的比较显示惊人的少的重复。只有大约20％的相互作用是相同的（Ito等，2001；Uetz等，2000）。缺乏重复说明文库的筛选实验方法还不成熟。所选择的克隆组不能发现高比例的潜在的相互作用，这并不奇怪。要筛选所有可能的ORF间的相互作用需要测试6000×6000=36×107对组合。即使我们已知很多蛋白具有多个相互作用，实际的相互作用的数目可能还要远大于此。

计算机辅助的双杂交筛选

仅通过鉴定盘绕的蛋白线团介导的相互作用的计算机辅助筛选进一步证明酵母基因组双杂交筛选低估了总的相互作用（Newman等，2000）。盘绕的线团是一种由两个或更多α螺旋相互盘绕组成的蛋白质相互作用（Cohen和Parry，1994）。可以形成无规线团的序列以简单的重复模式为特征，由此设计了可以通过蛋白序列的一级结构鉴定无规线团的电脑程序（Berger等，1995；Wolf等，1997）。以这些程序在酵母ORF中鉴定无规线团，发现基因组编码的大约300个蛋白为两条链的无规线团，另250个蛋白有三条链的无规线团（Newman等，2000）。也即大约每11个酵母蛋白中有一个就有无规线团。Newman和他同事（2000）用双杂交系统检查了162个预测的无规线团区之间的相互作用。总共16×16＝26244对测试鉴定出来自77个不同蛋白的213对相互作用，其中100对为无规线团。

奇怪的是用无规线团方法鉴定的相互作用无一可用前述的双杂交实验发现。此结果说明双杂交筛选存在很高的假阳性。这个结果与前述的结果相似，当用激活域205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 文库克隆进行配对双杂交筛选实验时发现相互作用的频率很高（Uetz等，2000）。除配对筛选外，由于只有酵母蛋白的无规线团区被用于筛选，无规线团实验可能也鉴定出更多的相互作用子。双杂交实验使用全长蛋白可能掩盖一些只有用蛋白质片段才能发现的相互作用子。例如，全长蛋白可能包含被遮蔽的相互作用位点，只有当发生构象变化时才可以暴露出来（Hu，2000）。总之，实验表明只用双杂交测定的酵母相互作用子是被低估了的。而计算机辅助筛选，如无规线团筛选可能提供文库筛选得不到的信息。

酵母蛋白质相互作用网络

将双杂交方法在基因组规模测定的酵母蛋白质相互作用的分析结果与生物化学方法测定的相互作用结合起来可显示出整个蛋白组的更复杂的相互作用谱。Schwikowki及其同事（2000）分析了2709个已发表且可在公共数据库和大规模双杂交实验中获得的相互作用，其中包括2039个酵母蛋白。他们发现了一个包括1548个蛋白构成的2358对相互作用的大网络及几个小网络（Schwikowki等，2000）。

相互作用蛋白网络有很多有趣的特性。首先，相似功能的蛋白在网络内趋于聚为簇。例如，89％的已注释为染色质相关的蛋白都定位在染色质相关的蛋白簇内（Schwikowki等，2000）。总计63％的相互作用发生在一般常用功能蛋白之间。其次，一般亚细胞定位的蛋白在网络内趋于聚为簇（Schwikowki等，2000）。第三，相互作用网络揭示一些相互作用与细胞过程关联，这揭示了细胞组件之间的互作。例如，细胞周期控制蛋白展示了大部分的细胞过程之间的相互连接。测定了细胞周期控制簇的蛋白、有丝分裂相关蛋白、蛋白降解、交配反应、DNA合成、转录、信号转导及其它过程相关的蛋白的相互作用（Schwikowki等，2000）。这些相互联系反应了细胞周期控制蛋白在调节细胞其它过程中的作用。最后，网络还提供了一些未知功能的蛋白质的信息。网络方法进行功能预测，如鉴定未知蛋白的相互作用伙伴的最一般功能、假定感兴趣的蛋白具有相同或相关的功能（Mayer和Hieter，2000;Schwikowki等，2000）。确定相互作用伙伴的蛋白功能的限制性因素是缺少基因组内蛋白功能的知识。例如，Schwikowki及其同事（2000）发现的大网络中未知功能的554个蛋白中只有69个有2或多个已知功能的伙伴。当对某机体的蛋白质功能的认识提高后，可以从相互作用网络分析得到的蛋白功能将会随之增加。234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 蛋白质网络的组织

酵母蛋白质相互作用的大网络的组织已有详细的研究(Jeong等,2001;Maslov and Sneppen,2002)。已分析的网络由大于1500个蛋白组成并由大于2000个相互作用联结在一起。这些研究的一个目的是测定网络的结构是否可由一致指数拓扑学(Uniform exponential topology)(即所有蛋白都与其它蛋白具有相同数目的连接)或异质无标度拓扑学(蛋白质连接显示出极大的差异)来描述。相互作用的可能性的分析表明了一个高度异源的无极网络，少数高度连接的蛋白在介导大量的低连接蛋白间的相互作用中发挥重要的作用（Jeong等，2001）。这种网络结构正如其它复杂的系统（如互联网和代谢网络）一样，都遵循能量分布规律（Barabasi和Albert，1999；Jeong等，2000）。蛋白网络的另一个特性是高度连接的蛋白主要都与低连接性的蛋白连接在一起（Maslov和Sneppen，2002）。这种组织方式降低了细胞不同功能模块间的相互对话的可能性，而通过定位有害突变的效应增加了网络的稳固性（Maslov和Sneppen，2002）。

网络的结构表明它们可以允许随机的突变，因为大部分的伤害可以发生在与其它蛋白没有太多联系的蛋白上（Jeong等，2001）。然而，位于节点的高连接蛋白一旦突变这个网络将异常脆弱。此想法通过用根据所有相互作用蛋白所具有的连接数确定的级别，并将它们的级别与从基因组删除相应基因的表型效应进行关联（Jeong等，2001）。从系统的酵母基因删除实验获得的大规模数据表明了它们的相关性（Ross-Macdonald 等，1999；Winzeler等，1999）。实验表明蛋白质去除对细胞的致死的可能性是与该蛋白具有的连接数相关的（Jeong等，2001）。例如，93％的酵母蛋白是具有5个或更少相互作用的蛋白质，我们有它们的基因去除数据，只有21％的蛋白是必需的。相反，只有0.7%的酵母蛋白具有15个以上的连接，但其中62％的蛋白的去除对细胞是致死的（Jeong等，2001）。因此，在网络结构中高连接的蛋白比连接较少的蛋白更为关键。10.3.2 对其他生物基因组范围的酵母双杂交分析

病毒系统中蛋白质－蛋白质相互作用的双杂交分析

已经利用病毒、细菌和动物基因组的ORFs（开放阅读框）对双杂交实验进行了全面、广泛的演示（Bartel et al.，1996；McCraith et al.，2000；Rain et al.，2001；Walhout et al.，2000）。在病毒系统中，T7噬菌体和牛痘病毒的基因组已经被检测过了。使用病毒基因组263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 的好处是可以系统的检测所有可能的两两相互作用。例如，一组266个来自牛痘病毒的潜在ORFs与Gal4的激活区域及DNA结合区域分别融合后进行了克隆（McCraith et al.，2000）。利用每个与DNA结合区域的相连的融合子与由266个与激活区域相连的融合子芯片进行配对，来检验蛋白间70756种两两结合的所有可能。总共只检测到37个蛋白质－蛋白质的相互作用，其中有28个是以前所未知的（McCraith et al.，2000）。正如McCraith及他的同事所指出的那样，这些作用可能只是病毒感染过程中的一小部分。这种低数量的相互作用的一个理由可能是大量的牛痘蛋白都是膜相关蛋白。这些蛋白质都是以全长的ORFs表达的，因此不可能到达酵母的核中来参与双杂交作用（McCraith et al.，2000）。全长ORFs的表达可能也屏蔽了某些特定的作用，导致了高几率的假阴性反应（Hu，2000）。从这些实验中获得的重要信息是即使一个膜上所有的蛋白质－蛋白质两两相互结合已经饱和，仅使用双杂交筛选很难把其中很大比例的相互作用检测出来。细菌中蛋白质－蛋白质相互作用的双杂交分析

幽门螺杆菌的基因组的大小为2Mb，它编码了1742个ORFs。用这些ORFs进行双杂交获得的文库和上面所说的酵母实验不同，在那个实验中所使用的GAL4激活区域文库包含超过1千万个随机的基因组片断（Rain et al.,2001）。因此，降低了全长的ORFs屏蔽蛋白质－蛋白质作用的潜在问题。总共用了261个ORFs来和GAL4的DNA结合区域进行融合来作为饵。这些ORFs的选择都避开那些无法进入酵母核内的疏水性蛋白（Rain et al.,2001）。261个含DNA结合区域的融合子激活结构域的文库进行配对来检测蛋白间的相互作用。总共鉴定了1200个相互作用，将近是基因组的50％。这个方法似乎可以非常有效的防止ORF配对筛选中出现的问题。另外，从激活结构域文库中检测到的反应子中的片断序列的数据积累起来了。片断的配对使得我们可以定位蛋白质的作用区域（Rain et al.,2001）。

线虫中蛋白质－蛋白质相互作用的双杂交分析

相对于病毒和细菌系统，线虫的基因组比较大，大概编码了20000个预测的ORFs。这些所有的ORFs的两两配对需要4×108次匹配，这在目前的技术条件下是不可行的。然而，已做过一个直接的检测，使用了27个已知的参与vulval发展过程的蛋白质与GAL4的DNA结合域融合，线虫的cDNA文库与GAL4 的292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 激活域融合（Walhout et al.,2000）。这个双杂交鉴定了包含124个不同蛋白的148个相互作用。为了测定已鉴定的相互作用的生物学关系，作者从其他生物中搜寻同源蛋白中的保守相互作用。这样的保守相互作用用interlogs标记，这代表了一种增加相互作用有效性和可信度的新方法。另外，Walhout和他的同事还用了一个系统的聚类分析来搜寻形成闭合环的网状的相互作用，说明在这个环中的ORFs在生物学重要相互作用中有更高的相似性（Walhout et al.,2000）。

从来自几个生物的大量的数据可以明显的看出双杂交是一种高效自动的、也是高通量的在基因组范围内检测蛋白质－蛋白质相互作用的有效的方法。然而，高比例的假阳性和假阴性也始终难以避免。事实上，以功能无关的蛋白和来自细胞不同部分的蛋白的关联频率来评估，估计目前所有的高通量的相互作用预测方法的预测结果都有超过一半是假的（von Mering et al.,2002）。因此，其他鉴定蛋白质－蛋白质相互作用的方法都要求同时做双杂交数据的有效性分析和新的相互作用的鉴定。

10.4 使用噬菌体展示来检测蛋白质－配体的相互作用 10.4.1 在M13纤维状噬菌体中展示蛋白

噬菌体展示已成为一种强大的蛋白质－蛋白质相互作用和蛋白质－配体相互作用研究的工具（reviewed in Smith and Petrenko,1997）。这个方法最基本的操作是把肽链或蛋白质融合到纤维状噬菌体的外壳蛋白上。肽链和蛋白质一般都是融合到噬菌体的III或VIII蛋白的N末端的（Smith,1985）。III蛋白是一个低拷贝的外壳蛋白（大约3～5个拷贝），它位于噬菌体的顶部，负责噬菌体感染细菌的过程中使噬菌体吸附到F菌毛上（Riechmann and Holliger,1997）。VIII蛋白是一种主要外壳蛋白，每个噬菌体微粒大概有2700个拷贝(Rasched and Oberer,1986)。因为基因编码的融合蛋白是包装在同一个噬菌体微粒上的，所以各种表现型（也就是展示蛋白和这个展示蛋白的基因序列的配体结合特征）之间具有直接的联系。这就允许随机氨基酸序列的多肽的大文库能够快速筛选特定的配体结合特征（Fig.10.7）（Smith,1985）。另外，也可以从大量展示蛋白的突变体中筛选配体结合特征发生改变的突变体（Katz,1997）。

噬菌体展示的一个重要应用是绘制蛋白质－蛋白质相互作用的位点。例如，随机的多肽文库用来鉴定单克隆抗体的抗原决定簇和多克隆抗体（Felici et 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 al.,1993;Folgori et al.,1994;Yao et al.,1995）。根据他们结合抗体的能力，从随机序列的噬菌体展示多肽中进行选择，选择的多肽通过DNA测序进行鉴定。经常会发现一些序列和一些感兴趣的抗原区域结合。这种方法的一个变种是利用DNAseI对感兴趣的蛋白的基因随机酶切后构建多肽的文库，然后用霰弹法(shotgun)把这些小片段基因克隆到噬菌体展示载体上（Petersen et al.,1995）。这个方法的优点是如果结合的多肽是已知的，它们就会结合到我们感兴趣的蛋白区域。这个方法已经用来绘制除了抗体－抗原以外其他的一些相互作用了。例如，用来定位β内酰胺酶抑制蛋白的结合决定区，这个区域对结合到β内酰胺酶上非常重要（Rudgers and Palzkill,2001）。另外，已经发现在某些时候这个方法可以以构象特征鉴定结合域（Williamson et al.,1998）。

用Shotgun克隆打断的基因到噬菌体展示载体中已经扩展到了细菌的全基因组（Jacobsson and Frykberg,1995,1996;Jacobsson et al.,1997）。在检测实验中，Staphylococcus aureus的全基因组DNA用超声波破碎后克隆到了基因III和基因VIII的噬菌体展示载体上。这个方法的潜力在实验中得到了验证，通过固定的IgG蛋白的结合富集噬菌体从Staphylococcus aureus基因组文库中选择编码蛋白A的基因片段（Jacobsson and Frykberg,1995,1996）。这个系统也已经被用来从Staphylococcus epidermidis中克隆纤维蛋白结合蛋白（Nilsson et al.,1998），还有来自结合α巨球蛋白、血清蛋白和IgG的C群链球菌的表面蛋白（Jacobsson et al.,1997）。这个方法的一个局限性是DNA的随机片断必须在信号序列和基因III编码的蛋白（g3p）或基因VIII编码的蛋白（g8p）间克隆。因此，只有1/18的克隆将含有一个有正确方向的融合子及同时含有信号序列和噬菌体外壳蛋白。标准的噬菌体展示系统也不合适用来构建真核生物cDNA文库，因为在cDNA中基因编码末端的终止子的存在排除了它与外壳蛋白的结合的可能。这个问题利用在裂解噬菌体的外壳蛋白上展示蛋白或片段就可以避免。10.4.2 T7噬菌体的蛋白展示

使用裂解噬菌体载体，如λ（Maruyama et al.,1994;Santini et al.,1998），T4（Ren et al.,1996），T7（Rosenberg et al.,1996）的噬菌体展示系统的发展已经提供了一种不依赖E.coli分泌机制的替代法。所有这些系统的额外的优点是克隆的蛋白是融合在噬菌体外壳蛋白的C端的，这样方便了基因组和cDNA文库的350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 构建。在T7 上展示cDNA文库最近已经被用来鉴定信号蛋白在EFG－受体信号通路中的作用了（Zozulya et al.,1999）。另外，利用cDNA文库，T7系统已经被用来鉴定蛋白质和小分子间的相互作用。这些研究说明噬菌体展示可以用作高通量的蛋白质－蛋白质相互作用的研究。

基因组或cDNA噬菌体展示文库的一个优势是同一个文库可以用来分离很多不同配体的结合蛋白。另外，用来扫描的配体并不局限于其它蛋白，任何可以被固定的分子都可能作为一个测试的目标。这使得文库能用来搜索那些可以结合DNA、RNA、蛋白质、糖、氨基酸或其他小分子物质的蛋白质。多肽噬菌体展示文库甚至已经被用来探索活的动物的脉管系统（Pasqualini and Ruoslahti,1996）。这就是把噬菌体库注射到小鼠的循环系统中，等一段时间后收集感兴趣的器官和组织，利用匀浆混合物感染E.coli来扩增结合在这些组织上的噬菌体（Pasqualini and Ruoslahti,1996）。这个方法已经被用来鉴定对不同组织和肿瘤的脉管系统特异性的多肽（Arap et al.,2002;Pasqualini and Ruoslahti,1996;Rajotte et al.,1998）。结果表明大部分组织的脉管系统表现出组织特有的标记。利用来自病原微生物的基因组或cDNA文库来做这个体内噬菌体展示实验，以检查由微生物的ORFs介导的目标组织将是非常有意思的。

鉴定很多种配体的结合蛋白的能力将使噬菌体展示成为蛋白质组学的一个有用的工具。基因组测序已经鉴定很多没有功能的开放阅读框。基因组噬菌体展示文库可以被用来利用结合功能对ORFs进行分类。例如，基因组DNA可以被固定到小珠上，就可以从基因组噬菌体展示文库中筛选出一组DNA结合蛋白。使用不同类型的配体就可能根据结合能力把大量的ORFs进行分门别类。10.4.3 酵母双杂交和噬菌体展示相结合

酵母双杂交和噬菌体展示系统都共同具有的一个缺点是都产生高比例的假阳性数据。因为这两个技术相当不同，即酵母双杂交系统是一个体内的分析，而噬菌体展示是体外的，因此结合这两种方法可能会产生更有用的生物学数据。该途径的强大能力最近已经被含有SH3结构域的酵母蛋白的研究很好的阐明了（Tone et al.,2003）。SH3结构域是蛋白质识别分子，它介导很多参与特殊生物学功能的蛋白质－蛋白质的相互作用（Pawson and Scott,1997）。为了鉴定和酵母中发现的SH3结构域发生作用的蛋白质，总共在E.coli中表达了24个和谷胱甘肽硫转移379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 酶融合并以可溶状态出现的SH3结构域（Tone et al.,2002）。这些蛋白被用作噬菌体展示的目标来从随机氨基酸序列的九肽文库中选择SH3结构域的配体。在多方面富集多肽配体之后，对阳性克隆进行测序，分析了20个不同的SH3结构域的结合配体的一致序列（Tone et al.,2002）。这些相同的序列就被用来搜寻酵母蛋白组中潜在的天然SH3配体。发现含有天然SH3 结合位点的蛋白质形成了一个网状的相互作用。为了证明这个发现，以18个不同的SH3结构域和几个富含脯氨酸的目标为饵进行一系列的双杂交后建立了第二个蛋白质－蛋白质作用网络（Tone et al.,2002）。最后，利用噬菌体展示和酵母双杂交相互作用网络中的交叉点找到了它们的共有组分。总共有59个噬菌体展示网络中的相互作用在酵母双杂交相互作用网也得到印证（Tone et al.,2002）。其中的一些作用已经用免疫共沉淀在体内进行了证明。利用来自多种试验方法得到的多组试验数据是一种评估一种特定办法的产生偏差的有用的办法。10.5 在蛋白片段互补实验中检验相互作用 10.5.1 简介

蛋白片段互补实验是以酶的重装配策略为基础的：蛋白质－蛋白质的相互作用能促进有效的再折叠和酶片段互补来恢复成为活性酶。这个方法起初是用复原的泛素作为蛋白质－蛋白质相互作用传感器。泛素是一种由76个氨基酸组成的蛋白质，独立或与其它蛋白共价连接存在于细胞中（Johnsson and Varshavsky,1994）。泛素与其他蛋白的融合蛋白会很快的被泛素特异性蛋白酶降解，这个酶识别泛素的折叠构象。如果泛素和一个报告蛋白一起融合表达，那么降解反应后就能在体内释放报告子（Johnsson and Varshavsky,1994）。然而，泛素的C末端片段与报告子的融合蛋白和泛素的N末端片段在同一个细胞中分别表达，这种降解将不会发生。如果两个相互作用的蛋白质分别与泛素的C端片段和N端片段融合，并在同一细胞表达，则完整的泛素将会被复原，降解效应将发生（Fig.10.8）。因此蛋白质的相互作用可以在体内把他们分别融合到泛素的C端片段和N端片段并测定报告蛋白的释放来检测。就像下面讨论的那样，这个方法已经被扩展到了其他系统，现在已经成为酵母双杂交和噬菌体展示的可行的替代方法在体内检测蛋白质－蛋白质的相互作用。

10.5.2 利用二氢叶酸还原酶的蛋白片段的互补 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 二氢叶酸还原酶参与了一碳化合物的代谢，是原核细胞和真核细胞生存所必须的。这个酶催化从二氢叶酸到四氢叶酸还原反应，这个过程是丝氨酸、蛋氨酸、嘌呤、胸苷酸生物合成所必须的。老鼠的二氢叶酸还原酶（mDHFR）是一个较小的（21KD）单体酶，它和E.coli中的酶同源性很高（29％的序列一致性）（Pelletier et al.,1998）。DHFR的三位结构说明它由F[1]、F[2]、F[3]三个结构片段组成（Gegg et al.,1997）。

E.coli的DHFR被抗生素甲氧苄氨嘧啶选择性抑止。mDHFR和甲氧苄氨嘧啶的亲和系数要比细菌的DHFR小12000倍。因此表达mDHFR的E.coli能在存在甲氧苄氨嘧啶时生长。已经发现mDHFR的F[1,2]、F[3]三个结构域与寡聚亮氨酸拉链融合后分别表达，在体内的重组导致了甲氧苄氨嘧啶抗性的E.coli细胞的产生（Pelletier et al.,1998）。该重组是由于亮氨酸拉链序列的相互作用拉近了mDHFR的F[1,2]、F[3]的片段使它们能够折叠成单个有功能的酶。潜在蛋白质－蛋白质的相互作用可以用下述方法来检测：把一个蛋白与F[1,2]域融合并让该蛋白的已知结合伙伴与F[3]融合，然后测试包含融合结构的E.coli细胞的甲氧苄氨嘧啶抗性。这个系统与上面所描述的泛素系统比较类似。

mDHFR蛋白片段互补实验的使用已经扩展到了哺乳动物细胞中。哺乳动物细胞培养中的mDHFR活性的恢复用缺少DHFR的细胞在缺失核苷酸中的生长来检测（Remy and Michnick,1999）。这些细胞的生长必须要有一个有活性的mDHFR酶，因为DHFR的活性是合成嘌呤和嘧啶所必须的（Remy and Michnick,1999）。第二种在细胞培养中检测mDHFR重组的方法是以荧光实验为基础的，检测在体内荧光标记的甲氨蝶呤（fMTX）结合到重组的mDHFR上。这个实验的基础是当mDHFR在细胞内发生重组，它就会以高亲和力与fMTX结合生成1：1的复合物。结合了的fMTX会停留在细胞中，未结合的则排出细胞外。因此重组的mDHFR存在与否可以利用荧光显微镜、FACS或光谱进行检测（Remy and Michnick,1999）。

mDHFR蛋白互补实验已经被用来绘制原核生物翻译起始的信号传导网络（Remy and Michnick,2001）。总共分析了35对全长的蛋白质，利用细胞在缺少核苷酸时存活的选择性鉴定了14个相互作用。另外，利用fMTX试剂结合荧光显微镜来定位蛋白复合物在细胞中的位置（Remy and Michnick,2001）。mDHFR437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 蛋白互补系统相对于酵母双杂交系统在检测蛋白质－蛋白质相互作用中有潜在的优势。例如，mDHFR系统可以在E.coli或哺乳动物细胞中使用（Pelletier et al.,1998;Remy and Michnick,1999）。当试验哺乳动物蛋白相互作用时，可能使用阴性系统更为有利。另外利用MTX试剂结合荧光显微镜在细胞中定位相互作用的能力提供了酵母双杂交系统所无法提供的重要信息。因此，这种技术可能会在未来的蛋白组学研究中有很广泛的应用。

10.5.3 用β－半乳糖苷酶互补来检测蛋白质的相互作用

β－半乳糖苷酶广泛的被用作基因表达的报告子，因为它降解产色底物5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷（X-Gal）来产生蓝色产物的能力。以经典的内部顺反子互补的细菌基因表型为基础，发展出了蛋白质－蛋白质相互作用实验（Mohler and Blau,1996）。在E.coli中去掉lacZ的N端或C端会产生一个没有活性的酶，但是缺少不同末端的无活性酶共表达后互补。利用把缺失片段装配到一个稳定的八聚蛋白中产生互补，这个蛋白含有野生型所有的必须的结构域（Mohler and Blau,1996）。参与互补的存在于突变体中的N端和C端结构域就是我们所知的а和ω区域。相互作用的实验是基于这样一个基础上的，即当缺少а结构域（△а）和ω结构域（△ω）的β-半乳糖苷酶共表达时互补产生有活性酶的效率是很高的（Mohler and Blau,1996）。当△а和△ω的β-半乳糖苷酶突变体分别和相互作用的蛋白质融合时，有利于△а和△ω片段的靠近，这样就能产生高效的互补作用。因此，潜在的蛋白质－蛋白质相互作用可以利用把感兴趣的蛋白质分别融合到△а和△ω的β-半乳糖苷酶突变体上，然后检测酶利用X-Gal的活性（Mohler and Blau,1996;Rossi et al.,2000）。

β－半乳糖苷酶互补作用实验已经被应用到了哺乳动物细胞（Rossi et al.,1997）。荧光标记的β－半乳糖苷酶的底物使得能够用荧光显微镜和FACS来分析表达感兴趣的融合蛋白的哺乳动物细胞。因此，类似于mDHFR系统，β-半乳糖苷酶互补实验可能会发展成为在基因组范围内研究哺乳动物细胞中蛋白质－蛋白质相互作用的有用的工具。

10.6利用质谱仪研究蛋白质－蛋白相互作用的图谱 10.6.1概论

蛋白质的快速鉴定可以通过直接搜索蛋白质和核酸数据库中的数据来获得，466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491 492 493 494 这些数据库是由质谱仪所产生的多肽质量数据构成的。鉴定蛋白复合物的组成是质谱在蛋白－蛋白相互作用图谱中最普遍的应用。这些实验可以通过应用亲和方法来分离完整的蛋白复合体来实现（图.10.9）。而这通常需要了解蛋白质复合物中至少一个蛋白的特性。这个蛋白可以通过亲和处理来标记，比如谷胱甘肽S－转移酶、多聚组氨酸重复或者抗体的抗原决定簇如Flag 标记。标记蛋白可以在细胞中过量表达，在非变性条件下进行亲和纯化过程中与标记蛋白相互作用的蛋白也一同被纯化。复合物进行洗提，蛋白组分用SDS－PAGE分离，条带从凝胶中切割下来并进行蛋白酶解，肽的精确的质量可由质谱仪来确定。搜索肽质量数据库，进行比对可以鉴定复合物中的蛋白。这种常规的方法文献中已有很多例子，包括研究核孔复合体、酵母Arp2/3复合体、TATA－结合蛋白关联因子、酵母纺锤体复合物、剪切体组份以及结合到分子伴侣 GroEL的蛋白等。10.6.2 鉴定E.coli 的GroEL作用底物

分子伴侣 GroEL和它的辅因子GroES是E.coli生长所必须的。GroEL的作用是通过限制聚合作用来促进折叠。GroEL是一个由14个亚单位构成的有2个大空穴的圆柱形的同源低聚体，底物蛋白通过GroEL复合物疏水表面结合在圆柱体空穴中间。GroES随后结合在圆柱体的顶点表面上使底物被捕获在阻止聚合作用的空穴内。细胞中大概10％的新的翻译的蛋白可以与GroEL相互作用，这一点是明确的，但是这些底物蛋白的身份知之甚少。

GroEL首选底物可通过脉冲－追踪标记生长的E.coli细胞来鉴定的。在不同的追踪时间，GroEL-底物复合物可以用 anti-GroEL 抗体免疫沉淀反应分离出。沉淀下来的蛋白可通过双向聚丙烯酰胺凝胶电泳分离，通过胰酶对斑点进行消化，随后用MALLDA－TOF质谱仪分析肽－质量指纹就可以实现对蛋白的鉴定。利用这种方法，总共鉴定出了52个不同的GroEL的底物蛋白。分析这些蛋白与GroEL的相互作用为基础的共同结构模块。发现GroEL底物比其它E.coli蛋白多具有几个αβ域。这些试验说明质谱方法可以来确定蛋白－蛋白的相互作用。10.6.3啤酒酵母蛋白复合物的鉴定

质谱仪最近用来系统分析酵母中蛋白－蛋白相互作用。这些研究与上述的双杂交实验类似，很重要的不同在于质谱仪是研究蛋白复合物，而双杂交方法是来检测两者间的相互作用。在一个实验中，TAP用来纯化589个蛋白复合物。TAP495 496 497 498 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516 517 518 519 520 521 522 523 方法利用两个亲和标记的结合来纯化蛋白复合物。复合物在单向SDS－PAGE中分离，单个蛋白用MALDI－TOF质谱仪来鉴定。589个纯化的TAP标记蛋白中，78％存在与之相结合的蛋白，表明这种方法可以有效纯化复合物。总共245个纯化复合物与酵母中98个已知的蛋白复合物是一致的，这证明了此方法的可靠性。另外242个纯化复合物中鉴定出了134新的复合物。这些数据表明两种不同的纯化方法检测到相同蛋白的可能性大概为70％。因此30% 的结果可能是有问题的。.酵母中的蛋白复合物第二个系统研究是在饵蛋白上应用单亲和标记来纯化感兴趣的复合物。在这些实验中，752种蛋白标记为饵，相关的复合物被纯化。复合物中的蛋白在SDS－PAGE中分离，从凝胶中挖出，用胰蛋白酶消化，然后利用串联质谱仪来鉴定。研究鉴定了1578个不同相互作用的蛋白，它们代表了25％的酵母蛋白质组。

一个重要的问题是数据的获得是否是从高通量质谱仪实验和利用双杂交试验相交合的数据中获得的。研究利用TAP标记产生的数据，只有7％是与双杂交是重叠的。用两种试验来检测相互作用的类型表明是互补的。双杂交方法不适用于检测蛋白的复合物，它仅鉴定二元的作用。然而双杂交试验对于鉴定两者间的作用以及低亲和力很有用。

10.7蛋白表达谱以及相互作用中的蛋白质芯片

蛋白质芯片分析是另外一个新出现的热点，针对检测蛋白表达及相互作用的高通量技术。可以具有不同的方式的蛋白质芯片，如一套抗体可以排列于滤光器或者载玻片上，用来检测蛋白表达的水平。另外一种方法包括来源于组织的蛋白直接放于玻璃载片、尼龙滤网或者微量滴定孔。这个方法可以用来定位蛋白－蛋白相互作用或者蛋白催化作用。

蛋白质芯片试验的难点在于蛋白不如核酸那样的均一。蛋白功能依赖于精确的脆弱的三维结构，这在试验中很难保持。另外相互作用的强度和稳定性不如核酸那样标准。每个蛋白－蛋白相互反应是专一的可以呈现一个宽范围的亲和力。目前蛋白表达的分析几乎完全依赖双向电泳以及质谱仪。然而蛋白试验的发展，需要另外有力方法以便在更广的基因范围内研究蛋白表达和蛋白－蛋白相互作用。524 525 526 527 528 529 530 531 532 533 534 535 536 537 538 539 540 541 542 543 544 545 546 547 548 549 550 551 552 10.7.1蛋白表达图谱抗体试验

蛋白组学的一个目标是检测组织之内或者之间蛋白表达水平。长期以来抗体被用来检测蛋白，如western杂交和ELISA等方法。然而检测成千上万的蛋白用这种方法就很麻烦。一个替代的方法是抗体的芯片，待测组织中每种蛋白的专一抗体被置于滤膜或者玻片上。蛋白表达测定首先通过在目的组织中获得天然蛋白裂解物并将蛋白用荧光标记。蛋白混合物结合抗体芯片，目的组织中表达的蛋白在芯片上结合他们的同类抗体。将非特异的蛋白洗掉，通过测定结合蛋白荧光来检测结合蛋白类型。这个方法本质上是高通量 ELISA试验。这个试验的优点在于芯片结合之前不需要天然蛋白的分馏。另外可以实现应用自动化程序对多种样品进行平行检测。显然这种方法的限制是需要对每一个蛋白专一抗体的研究。

对于大量的蛋白利用免疫处理动物并纯化蛋白来获得抗体可能会比较困难且费用昂贵。一个替代的方法是利用噬菌体展示库分离专一的抗体。抗体的噬菌体展示库已经广泛的运用于筛选单克隆抗体而不需要传统的杂交技术。从单个噬菌体展示库中众多蛋白中分离专一抗体的技术已可以自动化，因此在更广的基因组范围的项目中有很大的潜力来提供抗体。10.7.2 运用肽、蛋白质和小分子芯片进行功能分析

蛋白质芯片技术的目的之一是将基因组翻译的所有蛋白排成芯片用于功能研究。对于蛋白质功能的全局分析，过去已经通过文库筛选方法有所研究了。对于cDNA表达文库等文库筛选，可以成批地对某一种期望的生物学特性进行检测。例如，从λ噬菌体的噬菌斑中筛选出表达蛋白已经被运用了很多年了（Young and Davis，1983）。在这些实验中，一个cDNA文库插入到一个λ噬菌体载体中，这样编码的蛋白以一个与E.coli β－半乳糖苷酶融合蛋白的形式表达出来。噬菌体文库感染E.coli后，在琼脂平板上形成λ噬菌斑。每一个λ噬菌斑表达一种不同的融合蛋白，然后运用这些蛋白质特异抗体探查出这些噬菌斑中特异蛋白的存在（Young and Davis，1983）。挑出确定的阳性噬菌斑，检测插入片段的DNA序列从而确定相关的基因。通过这种方法，基于抗体－抗原的相互作用筛选并克隆基因成为可能。

蛋白质芯片比文库方法可能会有更多的优点。芯片方式提供了一种精确的，空间定向的格子，允许芯片上的所有蛋白质能够并行的对比从而筛选出来。这种553 554 555 556 557 558 559 560 561 562 563 564 565 566 567 568 569 570 571 572 573 574 575 576 577 578 579 580 581 空间结构也能够确定出芯片中的一个克隆，该克隆是根据芯片中其所在的位点测试出为阳性的。因此，这种方法确定蛋白质相互作用中的一个蛋白质比文库筛选要省力。但是，蛋白质芯片也有一个缺点，即与文库（～109）相比，所能排列和筛选的蛋白质较少（～104）。同样，纯化所要排列的成千上百个单个蛋白质种类也是一个技术上的挑战。因此，可以有效测定的蛋白数目限制了蛋白质芯片的应用。

肽芯片

最早应用芯片形式的是肽芯片。例如，合成肽的大头针式方法就是在一个96微孔板内平行合成肽。运用Fluoenylmethoxycarbonyl（Fmoc）标记氨基酸保护机制，肽在直径为4mm的经氨活化的聚乙烯大头针上合成（Geysen et al，1984，1986）。每一个合成循环中，这些大头针被浸入一种氨基酸溶液中。因为肽是在固体支持相上合成的，因此在循环之间未反应的多余氨基酸可以被完全洗脱下来，增加最后结果的纯度。这种方法起初被用于检测口蹄疫病毒VP1衣壳蛋白的抗原决定簇的结构图谱。存在于有218个氨基酸的VP1序列中的所有208种可能的重复的六肽通过与抗体的相互作用被合成并制成芯片。该方法中检测出一个免疫结构域，进而通过将单核苷酸依次替代肽所在的区域产生较好的图谱。这是第一个使用高通量方法确定蛋白与蛋白之间的关系。

SPOT合成方法是另一种同时的、平行的在固相支持上合成肽的方法。这种方法运用Fmoc化学保护法，但使用在纤维素膜上的羟基作为合成的固相支持（Frank，1992）。当一小滴液体渗入多孔膜时，液体就会被吸收，形成一个圆点。通过使用一种包含合适反应物的低挥发的溶剂，那么在逐步添加活性氨基酸至固定在支持膜上的化学基团时每一个点就会形成一个开放的反应器（Frank，1992）。通过一个αN-Fmoc保护的氨基酸与纤维素膜上的羟基之间的酯化作用及随后的Fmoc切除来为完成肽的组装提供锚点（Frank and Overwin，1996）。Fmoc-β-丙氨酸是最常用的膜上的反应物。去保护之后，β－丙氨酸游离的氨基部分可以作为肽芯片合成的模板（Frank，1992；Gausepohl et al，1992）。这种方法已经被广泛应用于描绘抗体－抗原的相互作用，同时也用于蛋白-DNA，蛋白-金属，其他蛋白-蛋白之间的相互关系（Reineke et al，2001）。582 583 584 585 586 587 588 589 590 591 592 593 594 595 596 597 598 599 600 601 602 603 604 605 606 607 608 609 610

SPOT合成法最多的应用是为确定线性B细胞抗原决定簇而制备肽芯片。如果抗原蛋白已知，那么包含整个序列的一系列重复的肽就可以很容易的合成并通过结合抗体进行测定（Reineke et al，1999a）。对于结合起关键作用的单个残基可以通过肽的SPOT合成法及氨基酸替代而被确定。该方法曾用于检测抗李斯特菌细胞溶解素（listeriolysin）产生的六个单克隆抗体（MAbs）的抗原决定簇结合位点，李斯特菌细胞溶解素是由病原菌Listeria monocytogenes产生的一种毒素（Darji et al，1996）。MAbs的结合位点通过SPOT合成法产生重复的肽而确定，这些肽可以覆盖李斯特菌细胞溶解素分子的整个氨基酸序列。一共有166个肽，每个肽含12个氨基酸及一条含3个氨基酸的支链，在芯片中以点的形式合成（Darji et al，1996）。通过将一个MAb与固定化的肽孵育并用过氧化物酶连接的二抗检测抗体的方法来检测肽的结合。纤维素膜在洗脱掉结合抗体后可以重复使用数次。通过这种方法，六个MAb中的每一个含6～8个氨基酸的结合位点就可以被定位了（Darji et al，1996）。除此之外，有报道通过将抗体与每个MAb上已确定的结合位点相关的可溶的肽进行预培养的方法，可以阻断MAbs与膜的结合。

SPOT合成法也用于为绘制抗原决定簇图谱，建立组合的肽文库。例如，可以通过组合文库确定被鼠抗p24的HIV-1单克隆IgG2a抗体CB4－1识别的肽抗原决定簇（Kramer et al，1997）。对于这些实验，需要合成一个由68590个肽的混合物组成的复杂组合肽文库XXXX[B1,B2,B3,B3,X1,X2,X3]XXXX。这个库由10个含有不同六肽核心的亚库组成，六肽核心分别为[XXB1B2B3XX],[XB1XB2B3X],[XB1B2XB3X],[XB1XXB2B3],[XB1XB2XB3], [XB1B2XXB3],[B1XXXB2B3],[B1XXB2XB3],[B1XB2XXB3],[B1B2XXXB3]，这些核心对应于三个确定位点所有可能的距离模式(Kramer et al，1997）。根据与CB4－1的结合筛选纤维素结合位点筛选组合文库，结果从68590个点上检测到225个肽的混合物。将筛选出来的肽混合物去掉其随机化的位点，确定了一条与p24有关的序列的肽段，同时还确定了三条完全不同的肽段(Kramer et al，1997）。肽结合的亲和力及竞争力实验显示所有的肽可以结合到单克隆抗体的同一位点，但是亲和力各有不同。另外，每一个肽段的替代分析清楚的显示抗体识别的分子基础对每一个确定的肽段是特异且唯一的（Kramer et al，1997）。这种替代分析611 612 613 614 615 616 617 618 619 620 621 622 623 624 625 626 627 628 629 630 631 632 633 634 635 636 637 638 639 也被用于确定supertope序列，该方法建立在氨基酸替代的基础上，替代的氨基酸与p24单克隆抗体的结合位点相一致。例如，其中一条肽段的序列是GATPEDLNQKLAGN, 但是使用SPOT合成法进行系统的氨基酸替代得到的的supertope序列为XXXXX[DE]L[HKNR]XX[IL]XXX, X为任意氨基酸（Kramer et al，1997）。与supertope一致的序列与SWISSPROT蛋白质数据库比对后，发现5517个配对的蛋白质。其中一些已确定的蛋白质纯化后可与p24 单克隆抗体结合。这些实验证实了P24MAb的多特异性，表明SPOT合成法也可以用于产生及寻找无偏的组合随机序列文库。

绘制非连续的抗原决定簇的结构图更要困难，因为抗体结合到来自抗原蛋白的不同区域的肽的亲和力较低。SPOT合成法的一个有趣的应用是绘制与IL－10结合的中性抗IL－10抗体即CB/RS/1结合位点的图谱（Reineke et al，1999b）。IL－10序列上一段重复的肽段通过将一段15mer的肽段上的一个氨基酸替换掉而得到。肽芯片通过使用CB/RS/1抗体进行探测，而结合抗体可以通过使用鼠IgG过氧化物酶标记抗体而检测到。发现CB/RS/1抗体与代表着蛋白质两个不同区域的肽段结合，这两个区域在一级结构中是分开的，而在高级结构中是连续的（Reineke et al，1999b）。那些结合在抗体上的肽段上的氨基酸残基位点随后被系统的一一替换，并通过点合成而排成芯片。对于与CB/RS/1抗体的结合很重要的肽段上的各个位点又可以通过检测而确定。大量的替代可以增加抗体的结合。展示抗体结合能力的两个区域位于同一条肽链，并且这条单个肽链与替代增加结合能力相适应。然后用半胱氨酸替换这条单个肽链上的氨基酸形成二硫键，二硫键可能通过降低肽链的空间构象而增加结合能力。这些多点合成实验的最终结果是得到一个在IL-10与CB/RS/1抗体之间的非连续结合位点上的紧密结合的32氨基酸的虚拟肽段（Reineke et al，1999b）。这个研究也证明了SPOT合成法对于快速构建及测试肽芯片的巨大作用。

SPOT合成法还用于其他很多研究蛋白质与蛋白质的相互作用上。这些相互作用包括与信号传导有关的蛋白质之间的作用，如PDZ结构域（Schultz等，1998）、SH3域（Cestra等，1999）和肿瘤坏死因子受体相关因子（TRAFs）（Pullen等，1999）。此外，该法被用于确定细菌伴侣蛋白SecB的底物专一性（Knoblauch等，1999）。此研究极其有趣，因为伴侣蛋白具有宽松的底物结合专一性，因此640 641 642 643 644 645 646 647 648 649 650 651 652 653 654 655 656 657 658 659 660 661 662 663 664 665 666 667 668 与大量的蛋白结合。SecB通过在翻译中或翻译后与新合成的前体蛋白联系，协助前体蛋白穿过细菌细胞质膜，因而使这些前体蛋白保持一种可以转移的状态。但是SecB的底物特异性的决定因子还未确定（Knoblauch et al，1999）。为了解决这个问题，合成并筛选出与SecB结合的来自23种不同蛋白质的总数为2688条肽链（Knoblauch et al，1999）。这一系列蛋白质包括已知的SecB的底物以及很多未知的蛋白。这个大的数据库可以对被SecB识别的底物模体进行可靠的统计分析。所有被筛选出来的肽链根据它们与SecB的亲和力（高、中度、低、无亲和力）被分为四组。亲和力由合成的点的强度来决定（Knoblauch et al，1999）。与SecB结合和不与SecB结合的肽链其氨基酸分布存在着很大的差异。高亲和力SecB结合肽富含基本氨基酸残基（Arg和Lys）以及芳香族残基（Phe，Tyr，Trp），而酸性残基（Asp，Glu）却非常少（Knoblauch et al，1999）。该结果可用于鉴定识别模块，它又能够准确的预测SecB结合肽。这些实验代表了SPOT合成法的应用向蛋白组范围上筛选结合特异性迈进了一步。包含一个细菌的蛋白组所有重复的肽的SPOT芯片很快也将产生。这种芯片将会成为在蛋白组学水平上研究抗体－抗原及蛋白质－蛋白质相互作用的强有力的工具。

最近，SPOT法被推广到产生一个包含837个不同的hYAP WW蛋白功能域的肽芯片（Toepert et al，2001）。之所以选择WW结构域作为模型，是因为它只有大约40个氨基酸长度。WW结构域在很多具有不同功能的蛋白质中发现，例如酵母、线虫、哺乳动物的结构蛋白、调节蛋白及信号蛋白中（Chen et al，1997a）。WW结构域与富含脯氨酸序列的短片段结合来介导蛋白质与蛋白质之间的相互作用。WW结构域的结构是已知的，一些定点突变实验已经发现并证实了对其结构和功能重要的残基（Chen et al，1997）。WW结构域的44个残基的每一个逐一被19个L－氨基酸所替代（Toepert et al，2001）。结果与早先的突变实验结果相一致，该结果是建立在结构域的结构基础上，应该是合理的。固相合成44个氨基酸的肽链有一个值得担忧的是，一个点内合成的肽链中有很大部分是不完全的产物。可以使用质谱来确认已合成的肽段的大小（Toepert et al，2001）。另外，所有可能的单个氨基酸的缺失都被合成在芯片中，与含有各种不同的全长的肽段的突变体芯片不同，几乎所有的缺失都是无活性的。这些结果提示在一个点里合成的大部分肽链都是全长的（Toepert et al，2001）。该研究结合蛋白质化学669 670 671 672 673 674 675 676 677 678 679 680 681 682 683 684 685 686 687 688 689 690 691 692 693 694 695 696 697 698 合成的快速发展，提示着SPOT法将会成为使用固相合成产生蛋白质芯片的一种方法。

尽管SPOT合成法具有很大的实用性，但是滤膜上点的密度与DNA芯片或玻璃板上列的顺序不同（Brown and Botstein，1999）。但是，有结果表明影印照相术可大大增加芯片上肽的密度（Fodor，1991）。这种方法与构建高密度寡核苷酸芯片方法相似。光敏保护基团被用于肽的合成。通过使用只允许光照射那些只加某种氨基酸的肽链的过滤罩，这样肽链可以被选择性的去保护。通过这种技术，肽的密度可达到250000/cm2（Fodor，1991）。上述所说的芯片可以通过直接在固体支持相上合成肽链而构建。目前，由于产物纯化以及连接效率的困难，使得SPOT法局限于合成30～40个氨基酸的肽链（Molina et al，1996）。因此，通过直接合成构建蛋白质芯片是不可能的。相反，蛋白质必须在芯片中表达、纯化随后使用。重组蛋白能够在E.coli或S.cerevisiae 等一些有机体内表达，或者通过组织培养得到。蛋白质也可以选择在体外转录、翻译产生。这些方法的困难是获得用于芯片上的稳定高级结构的蛋白质。不正确的折叠及聚合是重组蛋白在异源系统内表达存在的普遍问题。另外，蛋白质体外表达缺乏特异的伴侣蛋白，也会导致一些不正确的折叠结构的形成。这个问题是蛋白质芯片不同于DNA或寡核苷酸芯片的一个主要因素。所以，蛋白质芯片发展的进程一直以来都比DNA芯片慢。但无论如何，近年来的发展提示蛋白质芯片还是可行的。

归组的重组蛋白芯片

蛋白芯片发展中的第一个难题就是由生物体开放阅读框编码的蛋白质的大规模表达和纯化。关于S.cerevisiae(Martzen et al., 1999)的工作表明了这种方法的可行性。在这些实验中，建立起一个由6,144个酵母菌株组成的芯片，每个菌株都包含一个质粒，该质粒在Pcup1启动子的转录控制下表达不同的GST-ORF融合。因为纯化6,144单个蛋白相当困难，所以菌株被集中在64个组（pool），每个组有96个不同的GST融合菌株。每个组的GST融合蛋白用谷胱甘肽琼脂糖树脂为分离介质进行分批亲和层析纯化(Martzen et al., 1999)。然后这些组用作蛋白质功能的生化测定。举例来说，GST融合组的测试证明了酵母中两个预先知道的tRNA剪接反应中的每一个只会基于ORF数量在预期组中出现。当某组监测出具有某种生化功能时，这个单独的导致反应的菌株需要进行测定，699 700 701 702 703 704 705 706 707 708 709 710 711 712 713 714 715 716 717 718 719 720 721 722 723 724 725 726 727 由适当的96孔板中制备和测定GST融合蛋白(Martzen et al., 1999)。运用此法，生化检验定出三个先前未知基因编码的蛋白质的假定功能，包括两种涉及tRNA处理的环磷酸二酯酶和一个可修饰细胞色素c的转甲基酶(Martzen et al., 1999)。原则上，如果我们假定融合蛋白是可溶的、折叠的和功能性的，成组的GST融合蛋白能用来识别任何生化反应相关的蛋白。这个方法有个独到的优势，那就是一旦GST融合克隆建立起来，这就是一项快速的技术。Martzen和同事宣称只要两周就能纯化64个组，同时检验工作一天就能完成(Martzen et al., 1999)。此外，这个方法也是很灵敏的，因为一次只有96个重组蛋白被测定而相比之下，用细胞溶解产物的话，溶液中会有成千上万的蛋白质。这个方法使得每个蛋白有更高的浓度，因此大大地促进生化反应的检测(Martzen et al., 1999)。

成组GST融合蛋白方法的强大能力可以推出新生化反应剂和测定方法。生物过程的化学探针（又称化学生物学）的开发是一个快速发展的领域。例如，化学合成一种活性位点指向的探针，可以用来识别丝氨酸水解酶家族成员，近来已经有人描述过此过程了（Liu et al，1999）。探针的活性由丝氨酸水解酶的有效抑制和不可逆抑制决定的，抑制剂为荧光磷酸(FP)衍生物，如比二异丙基荧光磷酸。这个探针组成有一个生物素化的长链荧光磷酸，称作FP-生物素（Liu et al.，1999）。FP-生物素已在来自各种大鼠器官的粗组织提取物上试验过了。这些实验显示此试剂能与粗提取物中的大量丝氨酸水解物反应，也能探测飞摩尔级（10-15 mol）的酶（Liu et al.，1999）。显然，FP-生物素之类试剂将能与成组GST融合物更好地反应，因为成组GST融合物的蛋白浓度高于粗提取物的蛋白浓度（Martzen et al.，1999)。此类化学探针很可能将在今后几年内得到发展。

蛋白微芯片 成组GST融合蛋白的运用使得生化反应的测试成为可能，但也不仅限于蛋白－蛋白或蛋白－小分子交互作用的识别。因为此目的，有必要固定蛋白于固体支撑基质上，使得非结合蛋白能够被洗去。同时也有必要让蛋白连接到固体支撑基质上后仍能保留它的折叠构象。

已经有一种方法可以高空间密度连接蛋白到玻片上(MacBeath and Schreiber,2000）。这样的微芯片制做系统使用高精准自动机械臂来传递纳升体积的样品到玻片上，密度达到每平方厘米1,600个点。用含醛硅烷试剂预处理玻728 729 730 731 732 733 734 735 736 737 738 739 740 741 742 743 744 745 746 747 748 749 750 751 752 753 754 755 756 片蛋白质才能共价连接其上(MacBeath and Schreiber,2000）。醛很容易与赖氨酸残基以及蛋白质N端的a氨基酸等主链胺反应。因为赖氨酸通常会出现在蛋白质表面的多个位点，所以该蛋白能以多个方位连接。

高密度蛋白芯片是用来检验蛋白－蛋白交互作用，三个已知会相互反应的蛋白作用对被使用：蛋白G和IgG；p50和IkBa；以及FKBP12雷帕霉素结合域（FRB）和FKBP12(MacBeath and Schreiber,2000)。每一个此类实验，两结合蛋白中的一个被固定了，而另一个蛋白则用荧光标记，可以结合到玻片上。清洗以后，被结合的蛋白可以通过滞留的荧光标记检测出(MacBeath and Schreiber,2000)。这些实验证实微芯片能用来有效地检测极小样品量的蛋白－蛋白交互作用。固化的蛋白以每毫升100ug的浓度分布。因为结合反应在纳升体积中发生，所以需要检测结合的溶液相蛋白的数量是很小的。例如，特定的结合能用pg量的FKBP12检测FRB-FKBP12的相互作用(MacBeath and Schreiber,2000)。MacBeath和Schreiber（2000）提到，因为结合所必要的溶液相蛋白的浓度相当低，所以有可能在细胞溶解产物中用荧光标签标记蛋白，也可以用芯片来定量溶解物中特定蛋白的总量。因此，蛋白芯片能够用作蛋白表达作图和检测蛋白－蛋白相互作用(MacBeath and Schreiber,2000)。通过相似的方法，研究显示微芯片上小分子与蛋白的结合能被有效的检测出。但是固定化的蛋白组分有多少还保留折叠结构，对此仍不很清楚，但是基于预实验的判断，蛋白微芯片在高通量蛋白测定方面很有应用潜力。

蛋白微芯片也被用作研究蛋白－蛋白相互作用的特异性(Newman and Keating,2003)。bZIP转录因子是真核生物中DNA结合蛋白的重要一类，其中无规线团的二聚化作用在结合特异性方面起着重要的作用。人基因组中编码了大量的bZIP无规线团，我们使用蛋白芯片分析了这些模块的组合结合特异性。这些实验通过表达和纯化每个结构域以及连接蛋白到一个醛包被的玻璃平板上，构造出由49个人bZIP无规线团结构域组成的亮氨酸拉链芯片（Newman and Keating,2003）。然后49个蛋白中的每一个都用荧光标记，每一个都单独用作探针结合到芯片上去。用这种方法，总共有492个反应能迅速评估出来。这些实验的重要特点就是交互实验>90%的一致性，也就是说，一个结构域固定化或作为溶液探针结合了相同的一套结构域（Newman and Keating,2003）。这项结果预示了因为蛋白会在固757 758 759 760 761 762 763 764 765 766 767 768 769 770 771 772 773 774 775 776 777 778 779 780 781 782 783 784 785 体支持物和其他表面化学人工合成物上去折叠，而这样的人工合成物不会成为此法的主要限制因素。这个方法也适用于检验其他蛋白家族中二元交互作用组。蛋白芯片在蛋白质组尺度范围内的应用，由构建的含有代表93.5%的酵母蛋白质组的5,800种不同酵母蛋白芯片所展现（Zhu et al.,2001）。该研究中5,800个酵母ORF被克隆到一个酵母高拷贝表达载体，融合了谷胱甘肽S转移酶和多组氨酸（polyhistidine）（GST-HisX6）（Zhu et al.,2001）。蛋白在酵母中表达以促进适当的折叠和整合一些修饰作用。依照96孔板规格，一次纯化了1,152个样品，所有5,800个蛋白纯化以后，样品以高密度分散点在镍包被的玻片上（Zhu el al.,2001）。蛋白微芯片通过用生物素化的钙调蛋白（钙离子存在的条件下）探测玻片，来测试蛋白－蛋白交互作用。钙调蛋白是一种高度保守的钙结合蛋白，这种蛋白涉及到很多钙调控的细胞过程，同时也有很多已知的配合物（Hook and Means,2001）。这些实验分辨出六种已知钙调蛋白的靶蛋白还有另外33个潜在的结合伙伴（Zhu et al.,2001）。因为与钙调蛋白的相互作用需要精确的三级结构，研究表明玻片上大部分的蛋白质折叠呈功能状态。

酵母蛋白组微芯片也被用来测试不能被体内方式检测的相互作用。特别是，蛋白质－脂质相互作用也能用磷酸肌醇(PI)结合蛋白筛选法检测（Zhu et al.,2001）。PI是重要的细胞膜组成成分，也作为第二信使广泛地调控细胞过程。蛋白芯片用脂质体探测，这些脂质体包括了5种不同类型的PI，还有含脂质体的卵磷脂(PC)。每个脂质体也含有一个生物素化的脂，这种脂用来探测连接到微芯片上蛋白质的脂质体（Zhu et al.,2001）。这六种脂质体辨识出总共150种不同蛋白靶体，该靶体产生的信号远高于背景（Zhu et al.,2001）。这些蛋白中52个为非特性蛋白质。剩下蛋白中，45个与膜有关，包括整合膜蛋白和脂修饰蛋白（Zhu et al.,2001）。另外，很多激酶连接到脂分子上。为了确认芯片上的相互作用，几个蛋白以不同的浓度固定到硝化纤维素滤膜上，显示出对脂的结合具有浓度依赖性（Zhu et al.,2001）。

酵母蛋白组芯片研究表明蛋白芯片比其他鉴别蛋白－脂相互作用的方法方面有一定的优势。例如，采用酵母双杂交方法，核内能检测到的相互作用数目有限。反过来，因为蛋白芯片结合实验能在体外做，蛋白的本地化限制就不是一个问题了。体外检测相互作用的另外一个优势是可以检测很多不同类型的配体。因786 787 788 789 790 791 792 793 794 795 796 797 798 799 800 801 802 803 804 805 806 807 808 809 810 811 812 813 814 此，诸如蛋白-脂、蛋白-小分子、或者蛋白-核酸酸性相互作用能被检测出来。小分子芯片 遗传学对生物学的进步贡献很大。它借助突变等位基因来增加对有兴趣的途径的认识。在化学遗传学方面，小分子而不是遗传变异，被用作有条件地或临时地调控蛋白质的功能，因此许多生物学过程才得以发现（Mitchison,1994）。这些方法有使用秋水仙碱发现了微管蛋白（Borisy and Taylor,1967）；河豚毒素的发现，使得动作电位的解剖成为可能（Narahashi et al.,1964）；过氧化物酶体增殖活化受体γ拮抗剂的辨识，增进了对脂肪生成调节的理解（Lehmann et al.,1995）。发展化学遗传学作为一项技术的关键点就是高效的合成大量的多样的小分子和简单地筛选大量的小分子的方法。合成多样化小分子的重要过程可通过以下方法：多样性定向合成（Schreiber,2000）、固相纯化（Merrifield,1963）和分离池合成策略（Furka et al.,1991）。近来，描绘了一个具有分离池和以高容量微球为单个反应器的多样化定向合成的技术平台（Blackwell et al.,2001）。每个微球传送大约5mM合成储液到测定板做化合物解离和重悬浮（Blackwell et al.,2001）。这个产物量足以做大量生物学检验。化学遗传学的另一重要方法就是有效的筛选影响感兴趣的过程的分子。表型的和蛋白质结合的测试被成功的利用。例如，基于双表型筛选的组合，有一个是基于特定转录后修饰，另一个是可视的微管和染色质，被用来筛选影响有丝分裂的化合物（Mayer et al.,1999）。其中一个化合物monastrol通过与有丝分裂的驱动蛋白Eg5相互作用，阻止了哺乳动物的有丝分裂。Monastrol是第一个被识别的不通过结合微管蛋白而影响有丝分裂的化合物。

基于蛋白质结合分析的小分子筛选是有意义的，因为它有可能发展成高通量筛选。蛋白质结合分析能从不同的蛋白质筛选大量的小分子，从而有效地识别有用的小分子。已有报道用硫醇捕获反应建立由含硫醇的小分子组成的芯片（MacBeath et al.,1999），和通过亚硫酰二氯活化的玻璃载玻片表面制作含乙醇的小分子微芯片（Hergenrother et al.,2000）。这个方法被用来制作一种高密度的微芯片，此芯片有3,780结构复杂的产生自多样化定向的合成的1,3-二氧六环小分子（Kuruvilla el al.,2002）。此类微芯片的应用包括用荧光标记的酵母蛋白Ure2p作为芯片的探针。这个蛋白是酵母氮代谢系列基因的中心抑制物。一个结合到Ure2p的化合物uretupamine，被识别出来用做干扰葡萄糖敏感转录过815 816 817 818 819 820 821 822 823 824 825 826 827 828 829 830 831 832 833 834 835 836 837 838 839 840 841 842 843 程，这个过程在Ure2p形成的下游过程出现（Kuruvilla et al.,2002）。新信息表明，因为uretupamine只调控部分Ure2p功能，因此它的功效比单纯URE2基因的敲除更专一。研究表明小分子微芯片提供了一种系统化的方法，获得能调控不同方面蛋白功能的小分子探针，由此使破坏特定蛋白参与的生物学过程更容易。

以上描述的SPOT合成方法，往往用在合成某种芯片模式的膜结合肽链。然而，此方法广泛运用于高效合成膜表面的小型有机分子的芯片（Scharn et al.,2000）。Trisamino-和amino-oxy-1,3,5-triazine需要通过应用SPOT技术平行连接到纤维素膜和聚丙烯膜。完成这个过程需要用氨基酸和酚盐离子作为结构单元，还需一个以三氟乙酸蒸汽裂解的连接系统（Scharn et al.,2000）。为了识别抗原决定簇类似物，总共合成了8,000个纤维素结合的1,3,5-三嗪，连接到抗变形生长因子-α单克隆抗体Tab2，做成平行探针（Scharn et al.,2000）。这些研究预示了SPOT合成也是一种创建小分子芯片的有效方法。因此，小分子芯片很可能成为将来蛋白组学研究的重要工具，用来探测生物学过程的蛋白质功能。蛋白芯片和质谱 MALDI-TOF质谱结合蛋白质芯片的方法曾用在分析组织培养细胞分泌的淀粉样蛋白β肽链变体（Davis et al.,1999）。在Alzheimer症病人的脑组织中常见的老年斑中具有4-kDa淀粉样β肽链的聚集态（Selkoe,1998）。临床药品中识别出大量肽链的变体，因此很需要有效识别变体的方法。为此，以在芯片表面封固淀粉样β肽链的抗体的方法构建了蛋白芯片（Davies et al.,1999）。芯片表面上放1μl介质来捕获培养细胞分泌的淀粉样β肽链变体，然后清洗芯片，结合肽链被抽提出来用于MALDI-TOF质谱分析（Davies et al.,1999）。质谱的高敏感性和高精确度使数种淀粉样β肽链蛋白可以被精确识别。此外，一种对照的牛IgG固定到芯片上不同位置，结果显示淀粉样肽链的抗体有捕获介质中的变体的能力（Davies et al.,1999）。这项研究证明了结合蛋白质芯片与质谱是识别组成上细微差别的肽链的有效方法。

蛋白芯片－质谱方法已被扩大到很多感兴趣的分子的固定化平台。因此，分子能为亲和方法所捕获，例如抗体或其他有阴离子交换、阳离子交换、金属亲和和反相色谱等色谱特性的芯片表面（Fung et al.,2001）。这类芯片能被用来将蛋白质的复杂混合物纯化成具有共同特性的一组蛋白，然后用于质谱分析。从概念上讲，这个方法与液相色谱（LC）和第九章介绍的串联质谱方法相似（Link et 844 845 846 847 848 849 850 851 852 853 854 855 856 857 858 859 860 861 862 863 864 865 866 867 868 869 870 871 872 al.,1999）。两个方法的目的都是为了降低蛋白质的复杂度，变成一些能准确检测的蛋白。给定色谱分离方法所给出的蛋白谱，代表了蛋白抽提出来时细胞状态的指纹印记。举例来说，蛋白质芯片方法被用来研究正常状态下和癌症前期的样品的蛋白质表达的概貌，通过该方法可以发现疾病状态的蛋白质标记特征（Wright et al.,2000）。商业化蛋白质芯片－质谱平台业已开发出来，也发表了一些应用（Fung et al.,2001的评论）。

使用DNA芯片研究蛋白质功能 DNA芯片通过测量mRNA的水平广泛用于研究基因表达（Brown and Botstein,1999）。一个有趣的额外功能是用这些芯片研究转录因子蛋白的DNA结合特异性。已发展了基于DNA芯片对特征化DNA序列专一性的锌指蛋白识别的方法（Bulyk et al.,2001）。说到序列特异性DNA结合，锌指转录因子是最好理解的家族之一。小鼠Zif268转录因子被用做这些研究的模型系统。这个实验需要在M13线性噬菌体表面上展示Zif268蛋白，通过诱变和噬菌体展示筛选技术，利用不同的结合特异性分离一些变体。野生型和变异型Zif268蛋白的结合特异性就这样运用DNA微芯片确定下来。

Zif268蛋白包含三种锌指（F1,F2,F3），每种锌指与三碱基对序列相互作用（Pavletich和Pabo，1991）。F2指中的氨基酸通过噬菌体展示技术诱变和筛选，来分离结合的变体。有人建立起了一个包含所有64种可能的F2锌指3碱基对结合区的组合并在侧翼具有野生型F1和F3识别序列的DNA芯片（Bulyk et al.,2001）(图10.13)。让噬菌体展示的野生型或者变异型Zif268蛋白去与芯片上的DNA序列结合；非结合物质都给冲洗走了，结合的噬菌体能用包含荧光标记抗M13抗体探测到(Bulyk et al.2001)。结合测定是高度平行的，因此，一个芯片试验就有可能全面描述每个突变体的结合特异性。

如果改进DNA芯片结合实验，就可以用来进行转录因子结合位点的整个基因组分析。Bulyk和其同事们用12,000个 1-kb序列的可以包容Saccharomyces cerevisiae 基因组的芯片来描述S.cerevisiae 转录因子的序列特异性（Bulyk et al.,2001）。这些芯片也可以预测从未描述过的转录因子的功能和发现新的调控网络（Bulyk et al.,2001）。

10.8 表面胞质基因组共振生物传感器分析

表面胞质基因组共振（SPR）生物传感器已确定为测定分子间相互作用的方法。873 874 875 876 877 878 879 880 881 882 883 884 885 886 887 888 889 890 891 892 893 894 895 896 897 898 899 900 901 SPR生物传感器实验包括在表面固定一个反应物并监测它与溶液中的其它分子的相互作用。SPR描述的是复杂的合成与分解过程导致表面附近的溶液光折射系数发生改变时测到的光现象（Jonsson et al.,1991）(图 10.14)。SPR信号表达为共振单位（RU），它与溶液中和固定配体相互作用的分子质量成比例。所以标准的实验包括固定低分子量的配体和探测配对分子不停地流过固相表面时信号的改变（Schuck,1997）。SPR的一个优势是可以实时监测结合反应，而不需要标记配体。因此，SPR可以用来研究蛋白、碳水化合物、核酸、脂肪和小分子之间的相互作用。

10.8.1用SPR探测生物分子的相互作用

关于用SPR生物感应大分子之间相互作用的数百篇论文已在不同的领域发表（Rich 和Myszka,2000）。许多研究关注于探测和定量蛋白-蛋白相互作用。典型的实验是将一种蛋白共价结合到传感器表面。已有许多表面材料在市场上供应，如羧甲基葡聚糖，羧甲基葡聚糖衍生后给出许多功能基团可用于固定化（Schuck,1997）。其他表面还有捕获生物素化的streptavidin分子和捕获组氨酸标记蛋白的镍鳌合物表面等（Rich and Myszka,2000）。可溶性蛋白结合到固相蛋白给出的SPR信号是实时的，可以用来监测结合动力学。无蛋白的缓冲液流过结合体可以探测分解动力学。通过动力学数据（Ka,Kd）得到平衡常数（KD）(Morton and Myszka,1998)。近年来SPR仪器的发展已有可能实现蛋白间相互作用的高通量分析。例如，BIACORE已发展了分析96孔板上的样品的仪器。所以，SPR可能对基因组水平的蛋白-蛋白相互作用的描述作出重大贡献。

固相表面的发展使SPR传感器可用于监测蛋白与脂质表面及膜相关蛋白之间的作用。商业化（BIACORE）的疏水亲脂的传感器表面已可构建稳定的膜表面。已有显示这种疏水传感器表面可以用来形成脂质单层（Evans and MacKenzie,1999）。这个单层表面又可以用来检测蛋白-脂质相互作用。例如，有一生物传感器被用来检测Src同源域与磷脂双层上的磷脂肌醇的结合（Surdo et al.,1999）。另外，亲脂的传感器表面被用来捕获脂质体和形成像生物膜一样的脂质双层。

疏水传感器表面上脂质单层的一个有意思的应用是主要组织相容性复合物（MHC）以特定的方向结合到表面（Celia et al.,1999）。这是因为脂质体在极性902 903 904 905 906 907 908 909 910 911 912 913 914 915 916 917 918 919 920 921 922 923 924 925 926 927 928 929 930 一端连接了一个经化学修饰的带有镍盐的脂质的作用（Celia et al.,1999）。含有镍脂质的脂质体包被疏水传感器表面形成单脂层。实验用的重组MHC分子在跨膜区域含多组氨酸标记。电子显微镜显示组氨酸标记的MHC分子结合到脂质体的表面。SPR度量显示组氨酸标记的MHC分子特异性结合到脂质双层的表面（Celia et al.,1999）。更进一步，SPR实验表明MHC蛋白与单脂层在特定的方向上相互作用。观察到MHC分子与抗微球 抗体结合却不与抗组氨酸标记抗体结合的现象可以推断上述结论（Celia et al.,1999）。抗组氨酸标记抗体不与MHC分子结合可能因为空间位阻，因为组氨酸标记在单脂层表面上结合了镍脂质。最后，Celia和同事们通过将荧光标记的脂质结合到单脂层，发现脂质在单脂层里横向流动（Celia et al.,1999）。这样，精密的SPR应用发展起来用于模拟体外膜蛋白的相互作用。膜及传感器表面膜蛋白构建技术的进步对蛋白组学的研究将会做出重大贡献。基因组中将近三分之一的开放阅读框被认为是编码膜相关蛋白的。所以，测定和定量膜内蛋白之间相互作用的能力对在基因组水平研究蛋白-蛋白相互作用的蛋白组学起关键性作用。10.8.2 SPR生物传感器与质谱的联合

正如上面讲到的，SPR生物传感器被用来监测和定量蛋白-蛋白相互作用而不需要标记任何一方结合物。此方法还用于探测来自包括细胞溶解物和条件媒介物在内的复杂混合物的蛋白作用。称为配基钓鱼的方法是将已知蛋白固定作为功能鱼饵，钓出复杂混合物中的未知的结合伙伴（Lackman et al.,1996;Nelson et al.,2000）。困难在于当潜在的结合物从复杂混合物中钓出来后，在氨基酸测序以确定身份之前必须用标准的生物化学方法将该蛋白纯化（Lackman et al.,1996）。生物传感器联合质谱能更直接地鉴定结合伙伴。生物传感器为质谱和蛋白鉴定提供了微量纯化的平台（Williams and Addona,2000）。从SPR生物传感器表面回收的蛋白量非常少（毫微摩尔），但用灵敏的MALDI-TOF或随机质谱方法鉴定已足够了（Nelson et al.,2000;Williams and Addona,2000）。

SPR与质谱联用的潜力曾被谷胱甘肽S-转移酶（GST）和抗-GST抗体模型系统证实（Nelson et al.,1997）。在这个实验中，抗-GST抗体联结到羧甲基葡聚糖芯片，GST注入芯片与抗体结合。反应结束后，芯片从仪器上移开，以基质材料包被含有结合蛋白的芯片区域并用于MALDI分析（Nelson et al.,1997）。接931 932 933 934 935 936 937 938 939 940 941 942 943 944 945 946 947 948 949 950 951 952 953 954 955 956 957 958 959 着用MALDI-TOF质谱仪分析此芯片，质谱图显示结果与GST蛋白质量相一致。这个方法又经改进，包括了以单个芯片上多流细胞的方法进行样品的蛋白水解消化。如抗人白细胞介素α（anti-IL-1α）抗体固定在传感器芯片上的流动池1中，胃蛋白酶固定在流动池2（Nelson et al.,2000）。含IL-1α的溶液进入到流动池1，在那里，SPR测量仪显示IL-1α结合到抗IL-1α抗体的情况。洗去非特异性结合的蛋白，然后从表面洗脱IL-1α，IL-1α再从流动池1进入流动池2。经足够时间的固定化胃蛋白酶的蛋白水解消化后，MALDI-TOF质谱分析仪分析流动池2的表面。结果肽质量谱清楚地反映IL-1α的存在（Nelson et al.,2000）。

上述试验表明联结SPR和质谱的技术是可行的。这些方法对蛋白相互作用的描述是有用的。例如，固定蛋白被用作饵，在活体条件下钓出复杂蛋白混合物中的相应的蛋白结合物。复合技术的使用不仅能快速鉴别蛋白相互作用，而且提供了作用的动力学参数信息。此方法可以作为体内技术比如酵母双杂交系统的绝佳的辅助手段。10.9总结

有效的高通量的蛋白-蛋白和蛋白-配体相互作用的检测对蛋白组研究起着越来越重要的作用。鉴别结合伙伴的最常用的方法是酵母双杂交系统。这是依赖于通过由蛋白质的相互作用以DNA结合域回收转录激活域，而使其功能重构的体内探测方法。双杂交法已被用于研究酵母蛋白的相互作用及数以千计的蛋白构成的精细网络的鉴定。分析表明在这些高度异源的无级网络中少数紧密联系的蛋白介导着大量的链接较少的蛋白间的相互作用。这种类型的网络框架在很多复杂的网络中非常普遍，如英特网络、代谢网络等。以双杂交法还发现在其它类型的生物中也存在复杂网络，如病毒、细菌、动物系统等。噬菌体展示也为发现很多蛋白－配基相互作用做出了贡献。特别有用的是噬菌体展示和双杂交数据的结合可以减少假阳性相互作用的数量。蛋白质片段互补研究的相互作用数据的使用很可能增强蛋白质相互作用数据库，在蛋白组规模提供更为精确的相互作用谱。

以蛋白质芯片鉴定蛋白－配基相互作用很具有挑战性，蛋白质固定到固体支持物时需要保持三维结构的完整。蛋白间的相互作用用肽和蛋白芯片来检测和解析。SPOT合成已大量用于合成肽芯片，这种芯片主要用于鉴定抗体抗原决定部位和解析蛋白相互作用的结合部位。蛋白质芯片也被用于研究蛋白间和蛋白－配960 961 962 963 964 965 966 967 968 969 970 971 972 973 974 975 976 977 978 979 980 981 982 983 984 985 986 987 988 989 990 991 992 993 基间相互作用。最近，构建了一个含90％酵母蛋白组（5800个蛋白）的蛋白质芯片，用它鉴定了钙调素结合蛋白和脂结合蛋白。这些使用表明，蛋白质可以在芯片上保持它的高级结构，这预示着蛋白质芯片的广阔未来。研制了小分子芯片用于在化学遗传学中快速鉴定小分子探针。小分子在解析复杂生物学过程中具体的蛋白的作用是一个非常有用的工具。蛋白和小分子芯片可以用荧光标记分子检测芯片表面的相互作用。一个比荧光检测方法更细致和定量化的方法是表面胞质基因组共振，该法原理是当配体结合到固定在芯片表面的靶体蛋白时引起的折射系数的变化。此法的优势在于可以测定相互作用分子对的结合率、解离率和平衡常数，因此该法在高通量的蛋白－配基相互作用的检测中发展快速而且很可能将广泛应用（Protomics，T.Palzkill, 2002）。

图例

图10.1 重组克隆.(a)以attB＋attP>attL+attR反应克隆PCR产物受Int 和IHF蛋白催化。结果展示了可以构建功能载体的起始克隆。（b）以Int、Xis和IHF蛋白催化通过attB＋attP>attL+attR反应将起始克隆转变为功能载体。利用编码适当的启动子和标签的目的载体可以构建多样的功能载体。（引自Protomics，T.Palzkill, 2002）

图10.2 PCR产物的定向克隆策略。定向拓扑异构酶介导的对PCR产物的克隆在其5’末端需要5’-CACC序列。本例中CACC序列紧靠在插入基因的起始密码子ATG之前。（引自Proteomics，T.Palzkill, 2002）

图10.3 酵母的重组克隆。进行两个连续的PCR反应。每套引物的5’端都含有额外序列，这些序列最终使PCR产物可与线性化载体进行同源重组。（引自Proteomics，T.Palzkill, 2002）

图10.4 酵母双杂交系统。报告基因上游的蛋白X和Y的相互作用导致转录激活。蛋白X做为融合蛋白通过DNA结合域（DBD）结合在报告基因的上游位点，蛋白Y是带有转录激活域（Act）的融合蛋白。蛋白X和Y的相互作用使激活域置于994 995 996 997 998 999 1000 1001 1002 1003 1004 1005 1006 1007 1008 1009 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023 1024 1025 1026 1027 1028 1029 1030 1031 1032 1033 1034 1035 1036 1037 报告基因的附近并刺激它的转录。（引自Proteomics，T.Palzkill, 2002）

图10.5 双杂交蛋白相互作用的高通量配型测定。含有‘饵’和‘阱’的酵母菌株放在多孔板的孔内杂交。以转录报告基因筛选二倍体并用以测定蛋白－蛋白相互作用。（引自Proteomics，T.Palzkill, 2002）

图10.6 酵母双杂交‘饵’和‘阱’的系统杂交.酵母的每ORF分别被克隆为DNA结合域融合（饵）和DNA激活域融合（阱）.DNA结合域融合导入到MATa株，DNA激活域融合导入到MATa株.它们分别构成62套每套96克隆的组；组间进行系统的杂交（62×62共3844个组合）.选择相互作用的克隆，PCR扩增插入片段并切测序鉴定。（引自Proteomics，T.Palzkill, 2002）

图10.7 丝状噬菌体展示。随机序列的多态或者是不同的蛋白质被融合到噬菌体M13的衣壳蛋白的基因III上。目标配体被固定在固相上。噬菌体所展示的蛋白利用与目标之间的亲和力被富集并纯化，这个过程叫做Panning。经过多轮的Panning后，噬菌体被用来感染E.coli，然后这个被选择出来的插入片断的成分通过DNA测序来鉴定。（引自Proteomics，T.Palzkill, 2002）

图10.8 开裂的泛素作为蛋白质—蛋白质相互作用的传感器。蛋白A被融合到了泛素N末端区域，蛋白B则融合到了它的C末端。蛋白A与蛋白B的相互作用会重新组成一个完整的，折叠了的泛素。折叠了的蛋白质能够被一种特别的蛋白酶识别，酶切后释放一种报告蛋白。（引自Proteomics，T.Palzkill, 2002）

图10.9 鉴定复合物内蛋白相互作用的一般方法。利用一个与复合物种一个已知蛋白相互作用的标签序列把复合物从细胞中分离出来。或者利用针对这个复合物中的某个蛋白的抗体进行免疫沉淀来分离复合物。这些蛋白质用聚丙烯酰胺电泳，水解来分析，水解产生的碎片可以通过质谱来鉴定。或者是蛋白质水解后用液相色谱处理。然后，多肽片断用质谱鉴定，然后通过与数据库的比对来鉴定蛋白的成分。（引自Proteomics，T.Palzkill, 2002）

图10.10 利用抗体芯片来绘制蛋白表达图谱。这个抗体芯片是由针对一组感兴趣的生物体内蛋白的特异性的单克隆抗体固定到膜上而成的。为了鉴定一种蛋白在测试条件下是否有表达，先要获得粗裂解物，然后对裂解物内的蛋白要进行荧光标记。裂解液加到膜上，使蛋白质与相应的抗体结合。结合了的蛋白可以通过荧光标记看到。（引自Proteomics，T.Palzkill, 2002）

图10.11 利用点合成法构建多肽芯片。β丙氨酸被共价连接到作为平面支持的纤维膜上。然后以β丙氨酸为起点通过Fmoc化学法合成多肽。多肽通过羧基末端与膜相连。（引自Proteomics，T.Palzkill, 2002）

图10.12 从成组的酵母菌株中纯化蛋白质。每个酵母的ORF都被以蛋白表达载体中与谷胱甘肽S转移酶融合而克隆并构建了6144个酵母株。所有酵母株被分成64组，每组96株。每组培养后批量纯化96个融合蛋白。然后测定每组的生1038 1039 1040 1041 1042 1043 1044 1045 1046 1047 1048 1049 1050 1051 1052 1053 化功能（Martzen等，1999）。将功能阳性的菌株归并为新的组。（引自Proteomics，T.Palzkill, 2002）

图10.13 用DNA微芯片确定转录因子的特异性结合位点。（A）含有Zif168-结合位点的DNA片断的 固定。F2指针的结合位点表示为图中NNN,N指任一核苷酸。(B)构建了一个64孔微芯片，每孔由图A显示的含有3碱基对的F2结合位点的序列组成，然后噬菌体展示的各种不同的Zif268蛋白结合到这个芯片上。（C）被结合的噬菌体用抗M13抗体检测。噬菌体的结合位点决定了不同Zif268蛋白的底物特异性（Bulyk et al.2001）。（引自Proteomics，T.Palzkill, 2002）

图10.14 表面胞质基因组共振生物传感器的示意图.一种结合伙伴固定在感应器表面.使用BIACORE仪器，可溶性分子可以流过固定的分子．可溶性分子的结合导致传感芯片表面的溶液的折光系数发生改变.折光系数改变的大小与可溶性分子被结合的数量存在相关性.（引自Proteomics，T.Palzkill, 2002）

第五篇：蛋白质的知识点总结

导语：蛋白质是组成人体一切细胞、组织的重要成分。机体所有重要的组成部分都需要有蛋白质的参与。下面是由小编整理的关于蛋白质的知识点总结。欢迎阅读！

篇一：蛋白质的知识点总结

一个通式-两个标准-三个数量关系--四个原因--五大功能

(1)一个通式：是指组成蛋白质的基本单位氨基酸；氨基酸的通式只有1个，即

(形象记忆：碳周围有四个邻居，三个固定邻居即-H、-COOH、-NH2，一个变动邻居即-R基)。不同的氨基酸分子，具有不同的-R基。

(2)两个标准：是指判断组成蛋白质的氨基酸必须同时具备的标准有2个：一是数量标准，即每种氨基酸分子至少都含有一个氨基(-NH2)和一个羧基(-COOH)；二是位置标准，即都是一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上。

(3)三个数量关系：是指蛋白质分子合成过程中的3个数量关系(氨基酸数、肽键数或脱水分子数、肽链数)，它们的关系为：当m个氨基酸缩合成一条肽链时，脱水分子数为(m-1)，形成(m-1)个肽键，即脱去的水分子数=肽键数=氨基酸数-1；当m个氨基酸形成n条肽链时，肽键数=脱水分子数=m-n。

(4)四个原因：是指蛋白质分子结构多样性的原因有4个：

①组成蛋白质的氨基酸分子的种类不同；

②组成蛋白质的氨基酸分子的数量成百上千；

③组成蛋白质的氨基酸分子的排列次序变化多端；

④蛋白质分子的空间结构不同。

(5)五大功能：是指蛋白质分子主要有5大功能(由分子结构的多样性决定)：

①有些蛋白质是构成细胞和生物体的重要物质，如人和动物的肌肉主要是蛋白质；

②有些蛋白质有催化作用，如参与生物体各种生命活动的绝大多数酶；

③有些蛋白质有运输作用，如细胞膜上的载体、红细胞中的血红蛋白；

④有些蛋白质有调节作用，如胰岛素和生长激素都是蛋白质，能够调节人体的新陈代谢和生长发育；

⑤有些蛋白质有免疫(包括细胞识别)作用，如动物和人体的抗体能清除外来蛋白质对身体生理功能的干扰，起着免疫作用。

篇二：蛋白质的知识点总结

1.蛋白质：

以氨基酸为基本单位构成的生物大分子。氨基酸分子以脱水缩合的方式相互结合：一个氨基酸分子的羧基（—COOH）和另一个氨基酸分子的氨基（—NH2）相连接,同时脱去一分子的水。

如图所示：

肽键：连接两个氨基酸分子的化学键,如图中虚框内所示。

二肽：由两个氨基酸分子缩合而成的化合物。

多肽：由多个氨基酸分子缩合而成的、含有多个肽键的化合物。

2.蛋白质分子结构的多样性

蛋白质分子结构的多样性可以从以下四个层次加以理解：

(1)氨基酸的种类不同；

(2)氨基酸的数量不同；

(3)氨基酸的排列顺序不同；

(4)肽链的数目和空间结构不同。