高通量筛选技术

《高通量筛选技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高通量筛选技术（3页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、高通量蛋白筛选技术随着蛋白质构象预测、结构分析和定点突变方法研究的不断深入，加速了人们对蛋白质 结构和功能之间相互关系的理解。然而，除了少数成功的实例外，企图通过理性设计达到 改善蛋白质性能的目的仍然非常困难。因此 在工业和医药方面，依靠非理性设计方法特别 是定向进化技术修饰和加强酶特性的策略得到广泛的关注。在农业生物技术研究领域，非理 性设计方法结合定向筛选也具有很大的应用空间，主要包括：用于农作物遗传转化的标记基 因和外源目的基因编码蛋白功能的优化、饲料用酶比活和特性的改良、饲用氨基酸、类胡萝 卜素和维生素工程菌株的改造等。定向进化，包括高丰度蛋白质突变体库的构建和对蛋白质 突变体库进行生

2、物选择或者人为施加选择压的筛选，使得表达特定功能的克隆优先繁殖，重 复这个过程最后得到功能性状改进的蛋白质。定向进化技术已经被用来生产具有新功能的多 肽、抗体、酶及其它蛋白质。1.常规筛选蛋白质突变体库的方法当筛选的蛋白质可以产生可见信号时，则简单的表型观察选择和筛选被广泛应用。目前， 蛋白质突变体库筛选一般是在固态琼脂糖和滤膜)或者液态(微量滴定孔板)条件下通过表型 选择和筛选而完成的。1. 1 表型观察选择和筛选(Phenotype VisualSelectioor Screens)表型选择，即是基于细胞生长率和生存率的筛选方法。对于前者而言，主要是依据营 养缺陷型互补和对细胞毒素的抗性来

3、筛选突变体，如增加抗生素的浓度进行平板筛选。但是， 对催化专一反应的蛋白质和催化专一底物的蛋白质设计表型选择是困难甚至不可能的，其另 一个局限是在筛选压下微生物基因组的进化非常快并且发生了显著变化，选择压的应用通常 会导致选择的突变子和预期得到的突变子催化活性各不相同；对于后者而言，则又是基于蛋 白质突变体库中酶的催化活性的筛选方法，主要依据强发色体底物颜色变化)、易观察的克 隆表现溶解圈)或荧光产物来筛选突变体。如绿色荧光蛋白突变体非常容易通过荧光产物鉴 定。绿色荧光蛋白质突变体库通过易错PCR和DNA shuffling生，在大肠杆菌中表达，根 据它发出的固有荧光在紫外线下观察，进行可见筛

4、选。分泌活性蛋白酶的转化菌落涂布在琼 脂糖平板上可以产生溶解圈，溶解圈的大小和酶水解活性成正比。利用这种筛选方法，丫ou 和Arnold(1996)通过连续几轮随机突变和筛选提高了枯草杆菌蛋白酶E的表达水平和在有 机溶剂中的活性。除了直接测定酶产物，还可以结合另外一个酶，通过这个酶反过来监控需 要测定的酶。如已经阐明的加氧酶一辣根过氧化物酶结合反应系统非常适于筛选单加氧酶 库，通过突变和筛选能够得到所需性状的突变体，包括提高酶的活性、稳定性以及改变反应 的专一性。表型观察筛选法的优点是筛选速度快，缺点是具有很大的局限性，如不能定量、对蛋白 质特性中的微小的变化不灵敏，因此不能被广泛使用。21世

5、纪初，数字影像分光光度计 (Digitalmaging Spectroscopy的发展大大提高了在滤膜、琼脂糖平板上的筛选通量并且可 以定量突变体产生的信号，提高筛选的灵敏性。利用先进的数字影像系统筛选的通量可以达 到 10 5 克隆/d。1. 2 96 孔板筛选(screenin96 . wellPlateFormat)许多酶活力测定不能在固态条件下完成，这些酶的单个克隆必须在微量滴定板孔中生 长和测活。液态酶活测定比固态酶活测定更消耗时间。96孔板微量滴定法 (96-wellmicrotitrplate)是液态酶活测定最常用的一种方法，它是当前和机器手臂 (roboticarms)、液体处

6、理系统(liquidhandlingsystems),读板仪(platweaders最兼容的酶 活测定方法，是最普遍的适于自动化、高通量的筛选方法，筛选的结果非常可靠。该方法的 优点是测活的体积可以减少，还可以从背景中区分低溶度的、弱活性的酶表达克隆。多孔板 结合分光光度计测活的高通量筛选是目前最常用的筛选方法之一。1536和3456孔板以及 多通道，多波长检测仪的出现、每秒钟分配凡千滴样品(pL级)的非接触式压电配样仪的问世 等大大提高了这种筛选方法的样品处理速度，从而增加了筛选的通量，节约了筛选的时间。2 ,高通量笄选蛋白质突变体库的方法表面展示技术是筛选蛋白质突变体犀的高通量筛选方法，特

7、别在抗体的研究当中应用 非常普遍，具有高效、高灵敏度等特点。2.1噬菌体展示技术(Phage Display)噬菌体展示技术有Smith博士 1985年建立至今，巳发展成为生物学后基因组时代一个 强有力的实验技术，在生物学的许多领域得到广泛应用。人们利用这一技术可以将各种自然 界或人工合成的DNA整合到丝状噬菌体基因中，以融合蛋白的形式表达在噬菌体表面，利 用噬菌体展示犀所固有的基因型和表现型之间的直接关联，可以方便检测。如抗原抗体反应， 生物素结合反应等，根据反应的性质进行分离，从中筛选出人们所需的突变蛋白质。噬菌体 展示技术是第一个真正用于体外高通量筛选的方法。亲和作用是噬菌体展示技术筛选

8、的主要原理，蛋白质展示在丝状噬菌体的表面，建立了 目的基因和它表达的蛋白质之间的物理连接，该方法最明显的优点是展示的蛋白质能够到达 噬菌体的表面环境，与位于表面的底物或其它的目标分子作用。将筛选的靶蛋白偶联到固相 支持物(磁株或酶联板)上，加入噬菌体，作用一段时间后，去掉与靶蛋白不结合的噬菌体， 将有特异结合活性的噬菌体侵染细菌，凡轮筛选后就富集到了与靶细胞高亲和力的噬菌体克 隆。2. 2 核糖体和 mRNA 展示技术(Ribosome Display and mRNA Display)核糖体和mRNA展示技术，是通过筛选靶蛋白一核糖体-mRNA三元复合物或靶蛋白一 mRNA二元复合物，将基因

9、型与表型直接偶联起来，并利用mRNA的可复制性，使靶基因 (蛋白)得到有效富集的一项技术。利用此方法进行单链抗体可变区seFv片段表达文库的筛 选，得到了亲和力提高40倍的变异体。与噬菌体展示技术相比较，核糖体和mRNA展示 技术不需要将DNA犀转化到微生物中，因此，库容量的大小不受转化效率的限制，库容量 可达到10 1210 13,而噬菌体展示技术构建的噬菌体犀容量一般只能达到109。总而言之， 核糖体和mRNA展示技术库容量比噬菌体犀要复杂104倍，比酵母展示和酵母双杂交及三 杂交系统要复杂10 6倍，比表型观察筛选方法要复杂109倍。核糖体和mRNA展示技术还 有一个优点，就是mRNA链

10、和其所编码的蛋白质是共价连接的，使得在极端条件下筛选目 的蛋白质成为可能。另外，mRNA展示技术具有可以有身装配成蛋白质芯片的特性。 Schaffitzel等提出标准的DNA芯片通过mRNA展示技术中的mRNA-蛋白质融合体杂交能 转变成蛋白质芯片，cDNA-蛋白质融合体杂交本身可以直接装配成蛋白质芯片。核糖体和mRNA展示技术克服了噬菌体展示技术和酵母双杂交系统的许多缺点，减少 了表达偏好，同时，因为不需要转化步骤，一般能产生大于1012个分子库容量的蛋白质犀。 另外，由于mRNA链和其所编码的蛋白质共价连接，可以在严峻的选择条件下筛选突变体， 去除更多的对照，准确地筛选出有意义的突变体。2

11、. 3 细菌细胞表面展示技术(Bacterial Cell Surface Display)细菌细胞表面展示技术，结合荧光激活细胞筛选仪(Fluorescence Activated Cell Sorting， FACS)或流式细胞筛选仪(nOW cytometry)是非常有效的高通量筛选方法。此方法能够决定突变体犀中每个克隆的功能特性。因为，细菌表面有许多单一性状能显 示保留在细胞表面的酶反应产物，因而展示在细菌表面的蛋白很容易通过荧光探针显示出 来，荧光产物和细胞表面酶反应产物之间的物理连接是筛选蛋白质库的一个非常有价值的特 性，同时也是定量检测单细胞酶催化活力的关键。这种技术是当前惟一能

12、够定量检测单细胞 水平和大量突变体酶催化活性的方法。现在比较成熟的是利用革兰式阴性细菌表面带有的高 负电荷结合荧光共振能量转换(flourescence resonance energy transfer， FRET)底物的多阳离 子尾巴，使底物吸收在大肠杆菌的表面。展示在大肠杆菌表面的酶剪切底物的淬灭基团从而 产生一个荧光产物，通过多阳离子尾巴重新保留在大肠杆菌表面（图）。荧光的量和底物的转 换数成正比关系。由于在基因和它编码的蛋白质以及目的功能之间建立了一个直接连接，大 容量蛋白质突变体库的筛选被大大简化。基于这些特性，蛋白质展示技术结合FPEa/FACS 筛选成为目前惟一具有在K。和火。

13、的基础上区分酶活性能力的筛选方法。流式细胞仪结 合细胞表面展示技术具有以下凡个明显的优点：能够定量分析酶活性、同时测定多个参数并 且对每个观察到的克隆进行记录。2、4酵母表面展示技术目前巳报道的酵母表面展示系统有两种，即目的蛋白分别与a或a凝集素融合从而展示 于酵母细胞表面。通常被选的展示系统应该满足以下凡个条件：首先，表达偏差应该是最小 的，以便DNA库的多样，性可代表正确折叠蛋白质的多样，性；其次，要有定量筛选的标准； 最后，被选系统必须能很好的区分仅有微弱亲和力差别的突变体。酿酒酵母的蛋白质折叠和 分泌机制与哺乳动物细胞非常相似，因而此原核细胞更能正确表达和展示人的蛋白质。与噬 菌体不同

14、，酵母是个足够大的颗粒，可用流式细胞仪进行筛选和分离，这就使得基于特异定 量亲和力改变的突变体分离成为可能。由于酵母展示的蛋白质是紧密锚定在细胞壁上，可以 耐受SDS等的抽提，同时酵母有发酵特性且生长快，因此在工业上具有很好的应用前景。总之，近凡年基于酶催化活性筛选多样性蛋白质突变体库的高通量筛选方法巳经得到迅 速发展。噬菌体展示技术具有筛选大容量突变体库的潜力，但是它不能定量检测酶催化活性 的微量差异。在应用过程中，细胞表面展示技术结合流式细胞仪在筛选的高通量和测定单细 胞水平的酶动力学之间达成很好平衡。甚至在高密度的固体形态或微量滴定量孑L板测活， 也能准确定量酶的活力。但是目前每天分析量超过10s克隆仍是一个挑战。毫无疑问，这些 高通量的筛选技术，无论是单个技术本身还是多个技术的融合，将会越来越广泛的被应用于 新性能蛋白质的分离。