蛋白质为什么是dna（DNA这次）
蛋白质为什么是dna（DNA这次）我们这次的检测包括了肿瘤三项，即三种指示癌症风险的蛋白质（甲胎蛋白、糖类抗原和癌胚抗原），属于血液蛋白质检查。此外，常见的还有心肌三项、风湿三项和免疫球蛋白五项等等。一次科研一管血。科研中通过广泛筛查成百上千种蛋白，探索潜在疾病标志物。高通量蛋白质检测技术可以从少量的血液样本中检测上千种蛋白质。PEA技术通过为蛋白质打上可以复制的DNA标签，实现高通量检测。
上个月陪爱人做了一次检查。上午我们提供了一管鲜活的血液，很快，下午就拿到了一纸结果。所幸，四个指标中，只有两个数值有轻度的增高，指示着炎症或者感染，而非癌症。虚惊一场。
看着她胳膊窝抽血留下的紫青色淤痕，我不禁想，临床检验指标的产生，需要受试者贡献多少血液样本呢？
本文要点：
蛋白质标志物可以作为身体健康状况的信号灯。
科研中通过广泛筛查成百上千种蛋白，探索潜在疾病标志物。
高通量蛋白质检测技术可以从少量的血液样本中检测上千种蛋白质。
PEA技术通过为蛋白质打上可以复制的DNA标签，实现高通量检测。
一次科研一管血。
从血液蛋白质检查说起。
我们这次的检测包括了肿瘤三项，即三种指示癌症风险的蛋白质（甲胎蛋白、糖类抗原和癌胚抗原），属于血液蛋白质检查。此外，常见的还有心肌三项、风湿三项和免疫球蛋白五项等等。
之所以要检测蛋白质，是因为它们在生命中扮演着重要角色：
“蛋白质是生命功能的执行者”。
只有它们正常工作，我们才能健康生存。当体内发生病变，就会有相应的一揽子蛋白质的浓度出现异常：不该有的出现了；该少的多了。因此，这些蛋白质可以作为身体健康状况的信号灯。
血液检测帮助疾病诊断
那么，怎么知道某种疾病发生时，哪些蛋白质发生了变化呢？
最直接的思路就是：广泛筛！
在科学研究中，受试者主要分为患者和健康人两组。通过检测他们血液里的几百、上千种蛋白质，从中找到有浓度差异的蛋白。
这种方法除了可以找到用于诊断疾病的生物标志物，还可以用于研究疾病的发生机制和治疗方法。
例如，最近一项研究通过检测200多种炎症相关的蛋白质指标，探索由新冠病毒引起的呼吸道炎症的机制，以及潜在的药物靶点[1]。
火山图显示200多个蛋白质中存在的差异分子（图来自文献[1]）
需要多少血液样本。问题来了，我们体检检测了3个指标，就用了1管血。那么，要检测200种蛋白指标，需要从每个患者身上采集多少血液样本呢？
先买个关子，反正肯定不会是200/4 = 50管，不是数学题…
一般，实验室检测蛋白质，都是一对一检测的。也就是说，把血液样本分成很多份，每份只检测一种蛋白质。
为了检测这些肉眼看不见的生物大分子，必须给它们加上荧光或者颜色的标签，然后用特殊的仪器检测光信号。
想想看，这些大分子那么小，得多少分子一起发光，才能被世界看见？
因此，每份样本必须达到一定的量，才能有足够数量的蛋白质完成光信号的检测。比如，常用的酶联免疫吸附法（Enzyme-linked Immunosorbent Assay，ELISA），一般要50微升血浆，才能检测一种蛋白质。
ELISA实验示意图：浓度越高，颜色越深
用这种一对一单干的模式做大规模筛查是不现实的。例如，为了检测200种蛋白质，每个受试者至少需要贡献6管血（粗略计算）。要知道，很多研究甚至要筛选1000种以上的蛋白质，那可就是30管血了！
现代科学伦理是非常重视受试者权益的。而在科学研究中，样本也是非常珍惜的。因此，同一份样本要能够尽可能做多种检测，也就是要提高检测技术的通量（Throughput）。
高通量蛋白质检测技术可以从少量的血液样本中检测上千种蛋白质，包括蛋白质芯片技术、质谱技术，还有上述研究使用的邻位延伸技术（Proximity Extension Assay，PEA）[1]。
其中，PEA最为与众不同。上文提到，生物分子只有达到一定数量，才能被检测到，而样本中蛋白质的数量却是是固定的。PEA的巧妙之处就在于，它能使待检测的大分子实现大量的“复制”！
DNA：我为蛋白质代言邻位延伸技术（PEA）的发明者，是瑞典乌普萨拉大学的Ulf Landegren教授。他曾被英国《Metro》报赞誉为“DNA匠人”[2]。在讲高通量蛋白质检测技术，为什么要提到“DNA匠人”呢？
首先认识一下DNA和蛋白质。在我们体内，DNA坐在办公室里发指令，由蛋白质代言。
“DNA的遗传信息借由蛋白质实现功能的输出。”
DNA端坐在办公室里，蛋白质去执行任务
自然界中，DNA是可以复制的。而人工复制DNA的方法也于上世纪80年代被发明，即聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）。
PCR可以使微量的DNA分子成指数的大幅增加（例如进行20轮扩增反应，其数量可增加100 000倍）。
从此，科学家们再也不用担心DNA的检测。
一生二，二生四……无穷尽矣。（图来自文献[3]）
蛋白质本身是无法复制的。
但是，如果能够用DNA分子作为标签，和蛋白质一一对应起来，那不就可以间接放大目标蛋白质的信号了吗？
于是，Landegren教授给每对探针配上一对单链的DNA分子，作为标签[4]。
每对探针带着一段单链DNA标签，其中探针与蛋白质结合（图来自文献[4]）
当探针同时抓住一个目标蛋白质，DNA标签就会互相靠近，发生邻位连接反应，然后复制出一条条双链的DNA[4]。
互相靠近的单链DNA结合，复制出一大堆双链DNA（图来自文献[4]）
这些新形成的双链DNA就成为了目标蛋白的“代言人”，可以接受各种用于DNA定量检测的方法，比如实时荧光定量PCR。
结语“DNA匠人”独具匠心，以他山之石攻玉。经过十多年的打磨，到了今天，这项PEA技术已经可以在1微升的血浆样本中检测接近100种蛋白质!
回忆上文，ELISA法每检测1种蛋白质就需要50微升的样本。相比之下，PEA大大节约了大规模蛋白质检测的样本用量。只要一管血，不仅可以轻松完成PEA检测，还可以用来开展其它实验。
受试者可以放心了。
最后，要说明的是，这个技术也有其局限性。目前它只能指出哪些蛋白质有差异，而不能给出具体的浓度。因此，只能用于科学研究，不可以应用于临床诊断。
参考文献：
[1] “A systems approach to inflammation identifies therapeutic targets in SARS-CoV-2 infection.” medrxiv (2020). doi: https://doi.org/10.1101/2020.05.23.20110916
https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.05.23.20110916v1
[2] Alsne Magnus . “Researcher profile: Ulf Landegren: ‘I WANT TO BUILD THE COMPANY WITH A CAPITAL C IN UPPSALA’” Uppsala University (2017.10.20).
https://www.uu.se/en/news-media/researcher-profiles/ulf-landegren/
[3] Rodriguez-Lazaro David et al. “Real-time PCR in Food Science: PCR Diagnostics.” Current issues in molecular biology vol. 15 (2013): 39-44.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23513039/
[4] Gustafsdottir Sigrun M et al. “Proximity ligation assays for sensitive and specific protein analyses.” Analytical biochemistry vol. 345 1 (2005): 2-9. doi:10.1016/j.ab.2005.01.018
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S000326970500062X?via=ihub
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