场效应生物传感(FEB)是一种用于检测生物分子相互作用的无标记技术。该技术通过测量结合有靶标分子的石墨烯生物传感器中的电流变化来实现检测。利用FEB技术评估了Hsp90与Cdc37之间的生物分子相互作用,结果检测到这两种蛋白质之间存在强烈的相互作用。
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场效应生物传感(FEB)是一种用于检测生物分子相互作用的无标记技术。该技术通过测量结合有靶标分子的石墨烯生物传感器中的电流变化来实现检测。利用FEB技术评估了Hsp90与Cdc37之间的生物分子相互作用,结果检测到这两种蛋白质之间存在强烈的相互作用。
生物分子相互作用通过调控和协调功能相关的生物学事件,在多种细胞过程中发挥着多样化的作用 。蛋白质、碳水化合物、维生素、脂肪酸、核酸以及酶等生物分子是生命体的基本组成单元;它们在生物系统中组装成复杂的网络,以协调无数生命活动。蛋白质通常利用复杂的相互作用组网络来执行其功能,因此评估这些相互作用对于揭示其在细胞和有机体水平上的重要性至关重要。为实现这一目标,我们介绍一种快速兴起的技术——场效应生物传感(FEB),用于测定特定的生物分子相互作用。FEB是一种台式、无标记且可靠的生物分子检测技术,利用高质量的电子型生物传感器来确定特异性相互作用。由于其生物传感器表面采用了生物相容性纳米材料,FEB技术可在纳摩尔范围内监测分子相互作用。作为概念验证,本研究阐明了热休克蛋白90(Hsp90)与细胞周期调控蛋白37(Cdc37)之间的蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)。Hsp90是一种依赖ATP的分子伴侣,在多种蛋白质的折叠、稳定性、成熟过程及质量控制中发挥关键作用,从而调控多种重要的细胞功能。Cdc37被认为是一种蛋白激酶特异性的分子伴侣,能够特异性识别并将蛋白激酶招募至Hsp90,进而调控其下游信号转导通路,因此Cdc37被视为Hsp90的共伴侣蛋白。Hsp90/Cdc37复合物所介导的伴侣-激酶通路在多种恶性肿瘤中呈高活性状态,促进细胞生长,因而成为癌症治疗的潜在靶点。本研究以Hsp90/Cdc37为模型系统,展示了FEB技术的有效性。FEB检测到两种蛋白之间存在强烈的PPI(三次独立实验中测得的KD值分别为0.014 µM、0.053 µM和0.072 µM)。综上所述,FEB是一种无标记、成本效益高的PPI检测平台,可实现快速而准确的测量。
生物分子相互作用:
蛋白质是生物体的重要组成部分,参与多种分子通路,如细胞代谢、细胞结构、细胞信号传导、免疫反应、细胞黏附等。尽管某些蛋白质可独立发挥其功能,但大多数蛋白质通过结合界面与其他蛋白质相互作用,以协调正常的生物学活性1。
生物分子相互作用主要可根据所涉及蛋白质的不同结构和功能特征进行分类2,例如基于蛋白质表面、复合物稳定性或相互作用的持续性3。鉴定关键蛋白质及其在生物分子相互作用中的作用,对于在分子水平上理解生化机制至关重要4。目前已有多种方法用于检测这些相互作用5:in vitro6、in silico7、活细胞内8、ex vivo9以及in vivo10,每种方法均有其优势与局限性。
的 体内 使用整个动物作为实验工具进行检测11,以及 t离体 在受控的外部环境中,通过尽量减少对自然条件的改变,对组织提取物或完整器官(如心脏、脑、肝脏)进行检测。最常见的应用是 体内 和 离体 研究旨在通过确保潜在药理学制剂的整体安全性和有效性,评估其在人体试验前的药代动力学、药效动力学及毒性作用。12.
生物分子相互作用也可以在活细胞内被检测到。对活细胞进行成像使我们能够观察特定生化通路中动态发生的相互作用过程13。此外,诸如生物发光或荧光共振能量转移等检测技术,可提供这些相互作用在细胞内发生的位置和时间信息14。尽管在活细胞中进行检测能够提供关键的生物学细节,但这些检测方法依赖于光学系统和标记物,可能无法真实反映天然的生物学状态;同时,与体外(in vitro)方法相比,这些技术的可控性较低,且需要专门的技术 expertise 才能实施15。
计算机模拟(in silico)计算方法主要用于体外(in vitro)实验前对靶分子进行大规模筛选。计算预测方法、基于计算机的数据库、分子对接、定量构效关系以及其他分子动力学模拟方法均属于成熟的in silico工具16。与繁琐的实验技术相比,in silico工具能够以高灵敏度快速进行预测,但在预测性能的准确性方面有所降低17。
体外 在标准生物环境之外,利用微生物或生物分子进行检测。通过以下方式展示生物分子相互作用: 体外 方法对于理解蛋白质功能以及细胞复杂功能网络背后的生物学机制至关重要。应根据蛋白质的内在特性、动力学参数以及相互作用的方式和强度来选择合适的检测方法。18,19.
Hsp90/Cdc37 相互作用:
连接 Hsp90 和 Cdc37 的分子伴侣-激酶通路是肿瘤生物学中一个有前景的治疗靶点20。Hsp90 在细胞周期调控、蛋白质组装、细胞存活和信号转导通路中发挥核心作用。依赖 Hsp90 发挥功能的蛋白质通过共伴侣蛋白(如 Cdc37)递送至 Hsp90 并形成复合物。Hsp90/Cdc37 复合物调控大多数蛋白激酶的折叠,并作为多种细胞内信号网络的枢纽21。由于其在多种恶性肿瘤(包括急性髓性白血病、多发性骨髓瘤和肝细胞癌)中表达升高,因此成为一个有前景的抗肿瘤靶点22,23。
常用方法 体外 生物分子相互作用检测技术
共免疫沉淀(co-IP)是一种依赖抗原-抗体特异性的技术,用于鉴定具有生物学意义的相互作用24该方法的主要缺点是无法检测低亲和力相互作用及动力学参数24生物物理方法(如等温滴定 calorimetry(ITC)、表面等离子共振(SPR)、生物膜干涉技术(BLI)和 FEB 技术)是测定动力学参数的首选方法。
等温滴定量热法(ITC)是一种基于结合能测定并结合完整热力学分析来表征生物分子相互作用的生物物理检测方法25。ITC的主要优势在于无需对目标蛋白进行标记或固定。ITC面临的主要困难包括单次实验需要较高浓度的目标蛋白,以及由于结合焓较小而难以分析非共价复合物26。表面等离子体共振(SPR)和生物膜干涉技术(BLI)均为无需标记的生物物理技术,其原理是将目标分子固定在传感器表面,随后使分析物依次流经固定化的目标分子27,28。在SPR中,通过检测生物分子相互作用过程中折射率的变化来获取信号27;而在BLI中,则实时记录反射光干涉的变化,表现为波长随时间的变化曲线28。SPR和BLI均具有高特异性、高灵敏度和良好检测能力等共同优点29。在这两种方法中,目标蛋白均需固定于生物传感器表面,因此可能导致目标蛋白天然构象的部分丧失,从而难以区分特异性与非特异性相互作用30。BLI使用昂贵的一次性光纤生物传感器来固定目标分子,因此是一种成本较高的技术31。与这些成熟的生物分子检测工具相比,FEB技术能够在实时检测中利用低纳摩尔浓度实现生物分子的可靠、无标记检测,并提供动力学表征。此外,FEB技术克服了ITC中存在的气泡问题,且相较于SPR或BLI更具成本效益。
基于场效应晶体管(FET)的生物传感器是检测生物分子相互作用的一个新兴领域,具有多种生物医学应用前景。在FET系统中,靶标分子被固定在生物传感器芯片上,通过电导率的变化来检测分子间的相互作用32。在高效电子生物传感器的开发过程中,需要考虑的一个关键特性是用于构建传感器表面的涂层材料的理化性质,例如其半导体特性和化学稳定性33。传统FET材料如硅由于需要在晶体管沟道与特定环境之间插入氧化层才能正常工作,限制了传感器的灵敏度34。此外,硅基晶体管对高盐环境敏感,因此难以在生物分子的天然环境中准确测量其相互作用。石墨烯基生物传感器作为一种替代方案被提出,因其具有优异的化学稳定性和电场性能。由于石墨烯是单原子层厚度的碳材料,既作为半导体具有极高的灵敏度,又在化学上与生物溶液相容;这两种特性均使其成为构建兼容性电子生物传感器的理想选择35。石墨烯涂层生物传感器所展现出的显著超高生物分子负载能力,推动了基于石墨烯的生物传感器FEB技术的发展。
FEB 技术原理:FEB 是一种无标记生物分子检测技术,通过测量与结合靶标固定的石墨烯生物传感器中的电流来进行检测。固定化的蛋白质与分析物之间的相互作用会引起电流变化,这些变化可被实时监测,从而实现精确的动力学测量36。
仪器设备:FEB 系统由石墨烯场效应晶体管(gFET)传感器芯片和电子读数仪组成,后者在整个实验过程中施加恒定电压(图1)。将待测物溶液加入到固定在生物传感器表面的目标蛋白上。当发生相互作用时,电流的变化被实时测量并记录。随着待测物浓度的增加,结合的待测物比例也随之增加,导致电流变化更加显著。使用仪器配套的自动化分析软件(材料表),测量并记录I-响应值,单位为生物传感单位(BU)37。I-响应定义为固定化目标分子与待测物相互作用时,通过生物传感器芯片的电流(I)发生的实时变化。FEB 自动化分析软件可同时分析动态相互作用事件中的 I-响应和 C-响应,其中 C-响应记录电容(C)的变化。I-响应和 C-响应的变化均直接对应于结合待测物的比例,可进一步分析以获得 KD 值。自动化分析软件默认优先使用 I-响应进行分析。

图1:实验装置示意图。(A)基于石墨烯的芯片与电子读取器。(B)芯片组件的总体结构。芯片连接两个电极,用于向系统供电。芯片表面覆盖有石墨烯,激活后可结合靶标分子。请点击此处查看该图的放大版本。
方法:
首先,将活化的生物传感器芯片插入 FEB 装置(图1),然后执行以下步骤:(1)校准:使用1×磷酸盐缓冲液(PBS;pH = 7.4)对系统进行校准,以建立基线平衡响应。(2)结合:将分析物引入芯片,并监测I-响应,直至达到结合饱和。(3)解离:使用1×PBS使分析物解离。(4)再生:使用1×PBS去除芯片上残留的分析物。(5)清洗:使用1×PBS进行共计五次清洗,以彻底清除芯片上结合和未结合的分析物。
分析:
数据分析使用随仪器提供的全自动软件进行。自动分析软件生成带有 KD 值的Hill拟合曲线图。Hill拟合曲线描述了分析物与靶蛋白结合的程度随分析物浓度变化的关系。达到半最大响应时的浓度与 KD 值成正比。较低的 KD 值表示较高的结合亲和力,反之亦然。
为了验证从FEB实验中获得的数据,使用数据回顾/导出软件从每个分析物浓度的各个读出点提取I-Response,并可按照下文所述导出至其他统计分析软件(参见材料表)。
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注意:本研究中使用的重组蛋白 Hsp90 和 Cdc37 为商业获得(见材料表)。
1. 芯片活化
注意:实验中使用的所有材料均列在材料表中。所有配制的溶液均需通过无菌的 0.2 μm 滤膜过滤。
2. 目标蛋白的固定
3. 准备分析物样品
4. 将活化的生物传感器芯片装入FEB装置
注意:FEB 设备由一个带有 LED 指示灯的读数仪和一个用于插入生物传感器芯片的卡盒组成。
5. 运行实验
6. 分析
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实验1的结果:
根据上述靶点固定化方案,将靶蛋白Hsp90(500 nM)固定在芯片上。在第一次实验中,根据文献中已有的数据,配制了10个浓度梯度的分析物蛋白Cdc37,浓度范围为25 nM至5,000 nM(见表1)。
通过观察I-Response的变化,可以实时监测实验的各个步骤(图3A)。可以直观地看到实验流程中每一步操作对I-Response的影响。例如,在校准阶段,I-Response接近于零;而在结合步骤中,随着分析物(Cdc37)浓度的增加,I-Response逐渐上升。从本实验的数据来看(图3A),在较低的分析物浓度下(25 nM时为50 BU),I-Response出现了突然的上升。通常情况下,在低浓度时I-Response应较低,并随浓度升高而逐步增加。这一突然上升的现象提示,应设计包含更低分析物浓度梯度点的实验。
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本研究评估了使用FEB技术(一种实时动力学表征方法)来确定Hsp90与Cdc37之间生物分子相互作用的可行性。初步探索性实验(第一次实验)表明,选择合适的分析物浓度是实验的关键环节,实验设计应包含高于和低于KD值的浓度点,这些值是基于文献中已有数据预测得出的。
然而,如果对相互作用尚无初步了解,我们建议设计一个预实验,包含较宽浓度范围的多个浓度点,包括低浓度范围(0.08 nM、0.16 nM、0.4 nM、2 nM)和高浓度范围(1,000 nM、2,500 nM、5,000 nM)。预实验可对 KD 值进行粗略估计,并有助于规划后续实验,选择合适的浓度范围以获得准确的 KD 值。FEB 系统提供了一个可编辑的实验方案功能,用户可自由选择实验中的浓度点数量。
根据我们的经验,FEB 方案中最关键的步骤如下:目标蛋白和分析物缓冲液应与校准缓冲液相同。即使微小的缓冲液差异也可能导致 I-响应波动,从而产生不可靠的结果。因此,我们建议通过适当的缓冲液置换进行过夜透析...
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作者声明不存在任何经济或其他方面的利益冲突。
本研究获得了美国-以色列两国科学基金会(BSF)向 S.K.S. 和 N.Q. 提供的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 自动化分析软件 | Agile plus software, Cardea (Nanomed) | NA CAS number: NA | 文中所指为随仪器提供的自动化分析软件,可生成自动化分析结果。 |
| COOH-BPU(生物传感处理单元) | Agile plus software, Cardea (Nanomed) | NA CAS number: NA | 生物传感器芯片 |
| 数据审查软件 | Datalign 1.0, Cardea (Nanomed) | NA CAS number: NA | 文中称为随仪器提供的数据审查软件,可用于查看和导出信息数据点。 |
| 透析袋 | CelluSep, Membrane filtration products | T2-10-15 CAS number: NA | T2 型管材(6,000–8,000 MWCO),(10 mm 平展宽度,6.4 mm Ø,0.32 ml/cm,15 m) |
| EDC(1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺) | Cardea (Nanomed) | EDC160322-02 CAS number: 25952-53-8 | 白色粉末 |
| ITC(等温滴定微量热法)系统 | Microcal-PEAQ-ITC (Malvern, United Kingdom) | NA CAS number: NA | |
| MES(2-(N-吗啉代)乙烷磺酸)缓冲液 | Merck | M3671-50G CAS number: 4432-31-9 | 白色粉末 |
| NHS(N-羟基琥珀酰亚胺)芯片 | Cardea (Nanomed) | NA CAS number: NA | 基于石墨烯的芯片 |
| PBS(磷酸盐缓冲盐水)10 倍浓缩液 | Bio-Lab | 001623237500 CAS number: 7758-11-4 | 透明液体溶液 |
| 移液器 | Thermo Scientific | 11855231 CAS number: NA | Finnpipette F3 5–50 µL,黄色 |
| 封闭液 1(1× PBS 中含 3.9 mM 氨基-PEG5-醇) | Cardea (Nanomed) | 0105-001-002-001 CAS number: NA | 液体,透明溶液 |
| 封闭液 2(1 M 乙醇胺(pH=8.5)) | Cardea (Nanomed) | 0105-001-003-001 CAS number: NA | 液体,透明溶液 |
| 重组蛋白 Cdc37 | Abcam | ab256157 CAS number: NA | |
| 重组蛋白 Hsp90 beta | Abcam | ab80033 CAS number: NA | |
| 电子表格软件 | Excel, Microsoft office | NA CAS number: NA | |
| 统计分析软件 | GraphPad, Prism | NA CAS number: NA | 文中称为其他统计软件,也可使用 SigmaPlot、Python 或其他统计程序。 |
| Sulfo-NHS | Cardea (Nanomed) | NHS160321-07 CAS number: 106627-54-7 | 白色粉末 |
| 吸头 | Alex red | LC 1093-800-000 CAS number: NA | 1–200 µl 吸头,散装,1,000 个 |
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