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工欲善其事,，必先利其器 ——基因篩選與蛋白檢測
閱讀：319 發(fā)布時間：2018-11-29基因篩選與蛋白檢測是近年來備受矚目的創(chuàng)新前沿技術(shù)，在探索疾病相關(guān)基因及其表達(dá)的蛋白在特定生理,、病理,、發(fā)育等過程中所起的功能時發(fā)揮重要作用，正成為診斷與治療血液病,、腫瘤,、遺傳病等疾病的有利工具。
Sanger矩陣型CRISPR文庫——讓基因篩選更
2012年,，基因編輯技術(shù)CRISPR橫空出世，以其簡易,、的特征迅速成為該領(lǐng)域的新寵,。CRISPR技術(shù)以引導(dǎo)RNA（gRNA）識別靶序列，以單個蛋白Cas9切斷DNA雙鏈,，終實現(xiàn)基因的*沉默,。基于這一的特征,，CRISPRZhang Feng團隊等迅速將其應(yīng)用于全基因功能*沉默的篩選,。經(jīng)過幾年的高速發(fā)展，基于CRISPR的全基因篩選有效減少篩選中的脫靶現(xiàn)象,，避免關(guān)鍵基因的遺漏,，已隱隱有超越shRNA模式的態(tài)勢。初,，科學(xué)家使用的是集合型文庫,，集合型全基因文庫的出現(xiàn)，幫助人們實現(xiàn)了對全基因水平的功能*缺失的篩選,?？茖W(xué)家們利用CRISPR/Cas9集合型文庫篩選發(fā)現(xiàn)黑色素瘤耐藥關(guān)鍵基因1，實現(xiàn)腫瘤生長與遷移的在體篩選2,，甚至發(fā)現(xiàn)病毒感染人類的關(guān)鍵基因3,。
2016年科技界創(chuàng)新"奧斯卡獎"R&D 100大獎授予了Sanger矩陣型CRISPR文庫。由Merck公司與Sanger研究所聯(lián)合推出的這款CRISPR矩陣型文庫,，突破"篩選方式限于細(xì)胞分群實驗,、依賴低MOI慢病毒介導(dǎo),、數(shù)據(jù)分析必須通過二代測序"等CRISPR集合型文庫的局限性，為科學(xué)家們帶來了技術(shù)革新的福音：篩選策略不再受限于正向或反向篩選,，而是可以使用各類細(xì)胞學(xué)實驗作為數(shù)據(jù)讀出結(jié)果,。科學(xué)家們爭先鞏后利用CRISPR/Cas9矩陣型文庫實現(xiàn)功能基因的大規(guī)模敲除4,，構(gòu)建GPI調(diào)控蛋白的全基因篩選模型5,，大大加速了科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)流程。
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看得見的蛋白互作新技術(shù)Duolink® PLA®——讓蛋白檢測更
腫瘤,、高血壓,、糖尿病，人類面臨著與疾病賽跑的巨大壓力,。如何利用蛋白生物標(biāo)志物加速對疾病致病機理的探究過程,，診斷有效預(yù)后是科學(xué)家與醫(yī)學(xué)工作者們研究的重點與難點。傳統(tǒng)的蛋白研究方法如Co-IP,、Western blot,、ELISA、IF等因檢測靈敏度低,、假陽性高,、適用樣本范圍窄等原因而呈現(xiàn)出極大的局限性。
看得見的蛋白互作新技術(shù)Duolink® PLA® 的出現(xiàn)給科研工作者帶來更大的可能性,。Duolink® PLA®可實現(xiàn)單分子級別的蛋白互作檢測,，特異性放大信號1000倍，實現(xiàn)了可視化原位定量檢測細(xì)胞生理水平的微量蛋白的微弱互作和修飾,。目前,，Duolink® PLA® 技術(shù)已在腫瘤學(xué)、神經(jīng)生物學(xué),、免疫學(xué),、病毒學(xué)、表觀遺傳學(xué),、生殖發(fā)育,、組織病理學(xué)、心血管,、代謝等研究領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛報道,。
應(yīng)用1：Duolink® PLA®在微量細(xì)胞中的微弱蛋白互作檢測，解決Co-IP技術(shù)無法實現(xiàn)的應(yīng)用
在神經(jīng)生物學(xué)研究中,，很多時候研究的起始材料包括細(xì)胞,、組織等非常微量，同時相互作用的蛋白也很微弱,，超出了傳統(tǒng)方法如CO-IP的檢測靈敏度,。在神經(jīng)生物學(xué)研究中,，DYX1C1是閱讀障礙的易感基因，與神經(jīng)元遷移有關(guān),，但是并不清楚它們之間的功能與相關(guān)性,。
下圖顯示原代大鼠胚胎海馬神經(jīng)元使用雌二醇培養(yǎng)48h，PLA檢測雌激素受體ERs/DYX1C1在神經(jīng)突觸中的相互作用（A和D為雌二醇（E2）刺激組,，B和E為未刺激組,，C和F為無抗體陰性對照），每一個紅點代表ERs/DYX1C1相互作用的復(fù)合物,，藍(lán)色代表 Hoechst染細(xì)胞核,，綠色代表Actin蛋白。作者使用傳統(tǒng)Co-IP方法并沒有在胚胎神經(jīng)元中檢測到相互作用的復(fù)合物,。通過PLA技術(shù),，對DYX1C1的功能有新的理解，發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元遷移,，閱讀障礙與雌性激素信號通路的聯(lián)系,，從而影響腦發(fā)育，調(diào)節(jié)認(rèn)知功能,。
應(yīng)用2：Duolink® PLA®在病理組織中蛋白相互作用的原位檢測,，解決IHC無法實現(xiàn)的應(yīng)用
在腫瘤的靶向治療過程中，BRAF是非常重要的藥物靶點,，很多腫瘤都存在BRAF(V600)的突變，很多藥物都是針對這個位點,，但是逐漸增加的藥物抗性讓大家迫切希望能夠進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)新的藥物靶標(biāo),，和傳統(tǒng)藥物聯(lián)合治療，進(jìn)一步提高藥物治療效果,。
下圖是發(fā)表在Nature上的文章,，研究者從藥物產(chǎn)生抗性的機理出發(fā)，針對抗性相關(guān)的信號通路中共同的復(fù)合物eIF4F,，開發(fā)了Duolink® PLA®原位技術(shù)在細(xì)胞以及臨床病人的病理組織樣本進(jìn)行大量的檢測的方法,。圖中顯示與anti-BRAF治療前的腫瘤相比，eIF4F復(fù)合物的形成比率在免疫應(yīng)答的腫瘤中降低,，在抗藥性轉(zhuǎn)移的腫瘤中復(fù)合物形成比率升高,，圖中每個棕色的點狀信號代表一個相互作用復(fù)合體。因此eIF4F能夠作為先天（innate）和獲得性（acquired）抗性的指示器,，也能作為抗腫瘤治療的靶標(biāo),。通過封閉eIF4E–eIF4G相互作用或靶向eIF4A，能夠抑制eIF4F復(fù)合物的形成,，從而協(xié)同抑制BRAF(V600),，消除腫瘤細(xì)胞,。
PLA技術(shù)作為病理組織學(xué)研究的第二代新技術(shù)，在蛋白相互作用研究中具有高分辨率及性,，是傳統(tǒng)IHC實驗無法實現(xiàn)的,，能夠建立高質(zhì)量建立病樣組織標(biāo)本庫。
應(yīng)用3．Duolink® PLA®在單細(xì)胞水平分析組蛋白的修飾,，解決ChIP研究中無法實現(xiàn)結(jié)果的應(yīng)用
表觀遺傳學(xué)是當(dāng)前眾多研究中非常熱點的方向,，而ChIP又是表觀遺傳學(xué)中重要的技術(shù)之一，能很好地理解組蛋白修飾在基因調(diào)控中的作用,，但ChIP無法在單細(xì)胞水平上進(jìn)行研究,。
下圖發(fā)表在Nature上的文章，將PLA技術(shù)與原位雜交（ISH）技術(shù)聯(lián)合起來開發(fā)出新的ISH-PLA技術(shù),，能夠在石蠟切片的組織樣本中,，對特定類型單細(xì)胞中的特定基因位點的組蛋白修飾進(jìn)行可視化研究，圖中箭頭表示在人頸動脈和腦組織中的組蛋白修飾的PLA信號,。研究發(fā)現(xiàn)在人和小鼠的組織中MYH11位點的H3K4me2被限制在平滑肌細(xì)胞中,，ISH-PLA 能夠準(zhǔn)確、特異性地檢測人和小鼠組織中單個細(xì)胞的特定基因位點的組蛋白修飾,。該研究次在復(fù)雜的多種類型細(xì)胞存在的完整組織樣本中,，在內(nèi)源性水平鑒定了特定細(xì)胞和基因位點組蛋白修飾，顯示在體內(nèi)SMC細(xì)胞中MYH11基因H3K4me2*和重要的表觀特征,，表明PLA技術(shù)可以很方便地適用于單細(xì)胞水平組蛋白修飾和多個基因位點的檢測,。
1. Ophir Shalem, Neville E. Sanjana, Ella Hartenian et al. Genome-Scale CRISPR-Cas9 Knockout Screening in Human Cells. Science. 2014 January 3; 343(6166): 84–87.
2. Sidi Chen, Neville E. Sanjana et al. Genome-wide CRISPR Screen in a Mouse Model of Tumor Growth and Metastasis, 2015, Cell 160, 1246–1260.
3. Rong Zhang, Jonathan J. Miner, et al., A CRISPR screen defines a signal peptide processing pathway required by flaviviruses. Nature. 2016 July 7; 535(7610): 164–168.
4. Tobias Schmidt, Jonathan L. Schmid-Burgk & Veit Hornung, Synthesis of an arrayed sgRNA library targeting the human genome. DOI: 10.1038/srep14987.
5. Unpublished data provided by courtesy of Emmanouil Metzakopian, Wellcome Trust Sanger Institute.
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