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邻位连接技术(PLA)

   在PLA技术中,不同类型的抗体上,连接有不同的核酸适体(1),另外二条寡核苷酸探针(2),各自都能与二个不同的核酸适体互补配对,在连接酶的作用下,二条寡核苷酸探针产生连接,因此再通过PCR扩增,没有读出DNA序列的要求,只是通过滚环复制产生“多连体”,再有荧光标记的单链核苷酸(3)与新合成的DNA序列配对,引入荧光标记,并且结合点众多,放大了靶点得荧光信号。不需要序列信息,只要有PCR扩增超长长度的产物就行。

   换句话说,有无蛋白质相互作用,就看有无DNA连接反应发生。


二条寡核苷酸探针(2),各自都能与二个不同的核酸适体互补配对


DNA连接,之后是DNA复制(PCR反应)


通过滚环复制产生“多连体”

 

荧光标记的单链核苷酸(3)与新合成的DNA序列配对


大量的荧光标记杂交在一个靶点上



    wedecided to monitor and quantify the Dnmt1/PCNA interaction byproximity ligation in situ assay (P-LISA) in cells . Asillustrated by the Figure 1A,the principle of this assay is based on the staining ofDnmt1 and PCNA proteins by two antibodies, which are nextrevealed by secondary antibodies conjugated witholigonucleotides. In presence of hybridization solutionand ligase, the two oligonucleotides form with PLA a circle in caseof close proximity of proteins i.e. Dnmt1 and PCNA, here. Then,polymerase and nucleotides participate to the formation of therolling circle amplification, which are visualized in redfluorescence.

A

 



 B



Figure 1. Detection ofendogenous Dnmt1/PCNA interactions using P-LISA.

(A) Schematic representation of the Dnmt1/PCNA proximityligation in situ assay (P-LISA).

(B) Calibration of the microscopy (Axiovert 200 M Zeiss, LePecq, France) with ApoTome module. Left: picture of calibrationperformed with calibration balls (4 μm, Vue X-Y,Molecular Probes F36909). Right: picture of calibration performedwith calibration balls (2.5 μm, Vue X-Z, MolecularProbes F36909). Blue and red were merged in lateral and axial.

(C) Decovolving of picture realized with calibration balls (140nm).

(D) Dnmt1/PCNA interactions were visualized in MCF10A cells.Red dots symbolize Dnmt1/PCNA interactions.Nucleus/DNA are stained in blue via the use ofDAPI. Top left: ApoTome view, top right: orthogonal view,bottom: 3D views.

引自:Proximity ligation insitu assay for monitoring the global DNA methylation incells.BMCBiotechnology

Volume11 2011.EricHervouet1,2 , PhilippeHulin2,3 , Fran?ois MVallette1,2  andPierre-Fran?oisCartron1,2

 

PLA is an antibody-based method in which either a single or twoproteins (or antigens) are immunolabeled first with two primaryantibodies and then with different species-specific secondaryantibodies conjugated to complementary oligonucleotides (8,9).When two antibody molecules are in close proximity, thecomplementary DNA strands can be ligated, amplified, and visualizedwith a fluorescent probe as distinct puncta (Figure 1). Each spotmay represent a single complex containing each of two interactingproteins (or antigens). The maximal distance between thesecondary antibodies in this assay is ~16 nm, onlyslightly larger than that for resonance energy transfer betweenfluorophores (~10 nm), the most common approach used to infer GPCRoligomerization. By measuring close proximity, PLA allows avalidation in vivo of the molecular proximity of two endogenousproteins, something that cannot be established with simplecolocalization studies, thereby making it possible to interrogatethe existence and localization of interactions in vivo.



Figure 2. The Duolink assayprinciple. (A) Two primary antibodies raised in differentspecies are used to detect two target antigens of interest [here asexamples, gray/green (left) against a target protein (green), andlight gray/yellow (right) against a second target protein(yellow)]. (B) Each species-specific secondary antibody (dark grayand light gray, respectively) provided in the Duolink kit has aunique short DNA strand attached to it (black line). When thesecondary antibodies are in close proximity, the DNA strands caninteract through a subsequent addition of two other circle-formingDNA oligonucleotides (circular black line). The distance betweenthe two secondary antibodies is a maximum of 16 nm as calculatedfrom the number of nucleotides in the attached DNA arms. (C) Afterenzymatic ligation, the two added oligonucleotides are amplifiedvia rolling circle amplification using a polymerase to yield a longconcatemeric copy of the circle formed by ligation. (D) After theamplification reaction, labeled complementary oligonucleotideprobes are added to highlight the product (redcircles).  

引自:Detection of antigen interactions ex vivo by proximityligation assay: endogenous dopamine D2-adenosine A2A receptorcomplexes in the striatum.BioTechniques.2011.PierreTrifilieff1,2, 3, Marie-LaureRives3,4, 5, 6, EnekoUrizar*4,5, 6, Rebecca A.Piskorowski1, Harshad D.Vishwasrao1, JohnCastrillon3, ClaudiaSchmauss2,5, MariaSl?ttman7, MatsGullberg7, and Jonathan A.Javitch4,5, 6, 8

 

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蛋白质检测新技术——邻位连接技术及初步应用

唐 1 沈志强12 管 1 王金良1

(1山东省滨州畜牧兽医研究院预防兽医学与动物生物技术重点实验室 滨州256600)

(2山东绿都生物科技有限公司 滨州256600)

 

   邻位连接技术是近几年建立的一种可以用于研究蛋白质的定量、定位、相互作用、修饰以及功能的新DNA连接技术。该技术通过一对邻位探针将特异性蛋白质检测转换为DNA序列分析,可以直接分析复杂的生物样品,检测灵敏度和精确度高。本文总结了国外相关报道,对PLA技术原理,PLA技术的种类进行了系统的介绍,并介绍了该方法在生物标记因子检测、蛋白质相互作用、蛋白质一DNA相互作用以及疾病诊断中的初步应用。

PLA技术原理

1.1 PLA技术原理

   DNA连接技术早在20世纪70年代首次发现连接酶之后便被应用于实验分析中,最早用于研究tRNA的分子作用机制。此后陆续出现了多种新的连接技术,如用于单核苷酸多态性标记(singlenucleotide polymorphisms,SNPs)的寡核苷酸连接分析(oligonucleotide ligationassay,OLA)技术,以及用于基因组和蛋白质组分析的Padlock探针技术,这种寡核苷酸可以和特定的核酸序列反应环化而进行滚环扩增(rollingcircle replication,RCA),而PLA便是应用一种类似机制的探针讲行蛋白后检测的技术。

   PLA技术检测蛋白质的核心是一对邻位探针。该对探针将单链DNA与一对蛋白识别因子相连接,使其可以通过免疫吸附或其他方法同步结合到一个待测蛋白分子上。PLA反应分为3步:1)样品与带有靶特异性抗体的一对邻位探针共孵育,2条邻位探针双双与靶相应位点结合;2)加入连接试剂和PCR扩增试剂,在连接酶作用下使得同一目的蛋白上的邻位探针对DNA尾部的游离5’端和3’端与互补序列杂交并发生邻位连接反应,形成一个环状的蛋白质一蛋白识别分子_单链DNA复合物。3)采用实时定量荧光PCR扩增复合物中的单链DNA部分。只有在一对探针均与目标蛋白结合,且相互间距离足够贴近时,邻位连接反应才能够发生,因此PLA的非特异性检测极少,这一优点使得PLA与常规PCR或RCA方法相比,具有更高的特异性和检测灵敏度。

1.2邻位探针

   邻位探针由蛋白结合部分和可连接的单链DNA寡核苷酸部分组成。最早报道的邻位探针,其蛋白结合部分是一类单链DNA"配基”(适体,aptamer),经由SELEX技术(SystematicEvolution 0f Ligands bv ExponentialEnrichment,指数富集的配基系统进化技术)从随机核酸库中选择产生,能够高特异性、高亲和力地识别目的分子。不过,运用SELEX程序筛选出可用于邻位连接的配基数量十分有限,这在一定程度上限制了核酸配基探针的应用。

   近来,人们开始研究运用单克隆抗体建立邻位探针对,利用化学交联剂或者生物素一链亲和素将低聚核苷酸与抗体蛋白共价连接,形成抗体_单链DNA复合探针,从而大大扩大了PLA技术的检测范围。Gullberg等分别采用化学法和生物法将DNA单链与抗体结合制备出抗体一DNA单链复合物。

   化学法是利用双功能交联试剂SMPB(4-[p—maleimidophenyl]butyrate)将抗体与巯基修饰的DNA单链交联。

   生物法则是利用链亲和素(streptavidin)与生物素(biotin)之间的高亲和力,先将链亲和素与巯基修饰的DNA单链结合形成链亲和素_单链DNA复合物,经纯化除去游离的链亲和素及单链DNA;链亲和素.单链DNA复合物再直接与生物素修饰的抗体在室温下结合,便可形成终产物抗体一单链DNA复合探针。应用链亲和素生物素法时,只需改变抗体种类便可以用于检测多种蛋白质分子,其适用范围更为广泛。

   合成探针可以用单克隆抗体、多克隆抗体甚或抗体重组片段,但很多情况下多克隆抗体更适合PLA技术。因为动物的多克隆血清可以识别目标蛋白的多个抗原表位,这有利于一对邻位连接探针识别同一目标蛋白,从而使探针的DNA末端更为接近。此外,对于发生轻微变性的目标蛋白,多抗的识别能力比单抗强一些。

   探针与蛋白结合位点的亲和力是一项十分重要的因素,Gustafsdottir应用多种邻位探针检测IL-2、IL4、VEGF、PDGF等细胞因子时发现,如果将邻位探针的检测灵敏度提高10倍,则PLA的检测限可以降低100倍。抗体复合物的质量也可以显著影响实验结果,制备出的邻位探针中游离DNA单链和抗体的含量较高可以影响检测信号,增大背景干扰,因此探针的纯化很重要。Gullberg等设计了一套简单实用的两步纯化方法,先用饱和硫酸铵沉淀蛋白质去除游离的DNA单链,再用乙醇沉淀除去游离的链亲和素。由该方法纯化的链亲和素-DNA复合物经芯片电泳定量分析,平均每个链亲和素分子上可以结合一个DNA分子,而残留的游离DNA的量低于10%。

目前PLA探针的制备正逐步走向商业化,如OLINK生物科技公司生产的DuolinkTM试剂盒,该试剂盒包括DNA标记的二抗(即PLA探针)、检测试剂、以及对照试剂等。用户可以根据试验所需抗体种属购买相应的二抗探针试剂盒,直接用于PLA检测。

多种PLA技术

2.1单相PLA(homogeneous PLA)

   常规PLA反应是在单一介质中进行的,该技术可以将待检测样品、邻位探针、荧光PCR引物以及其他连接与放大试剂加入同一管中进行连接反应与荧光定量PCR,操作步骤简单,用时短,上样量少,适用于微量蛋白质的快速检测。

2.2固相PLA

   PLA反应可以在固定表面上进行:待测蛋白或病原样品首先与固定于微孔板壁的蛋白(如:抗体)结合,样品中的其他未结合分子可以通过洗涤去除;再加入邻位探针进行连接,洗涤去除未结合探针,最后加入连接和放大试剂,通过实时定量PCR放大信号并检测。这项技术可以用于检测含量过低的蛋白,而且运用此项技术可以通过洗涤去除样品中能够抑制连接和扩增的成分,也可以去除游离的PLA探针,从而提高检测灵敏度。Gustafsdottir等将单相PLA、固相PLA、与ELISA三种方法进行了比较,用此三种方法检测PDGF—BB蛋白,固相PLA的检测限远远低于ELISA,甚至比单相PLA更低一些。

2.3原位PLA

   Soderberg等利用滚环扩增(rollingcircleamplification,RCA)技术的局部性特点,建立了一种全新的、可对相互作用的蛋白质进行细胞或组织内定位的PLA方法,即原位PLA(proximityligation in sireassay),简称P-LISA.在P-LISA方法中,邻位探针并非同时结合到同一个蛋白质分子上,而是与待测的2个具有相互作用的蛋白质分子分别结合。当这2个蛋白质分子因为相互作用而靠近时,邻位连接探针也因此相互靠近,此时,反应体系中加入的DNA短序列与探针上的DNA链互补,在连接酶的作用下形成环状DNA。以此环状DNA为模板,以其中1个探针上的DNA链作扩增引物,进行滚环扩增。RCA反应1h即可以形成1条含有约1000个重复环状DNA序列的DNA单链。若DNA短序列带有荧光标记,则可以直接观测到相互作用的两个蛋白质分子在细胞中的定位。由于环状DNA模板的成环反应不受邻位连接探针个数的影响,P-LISA法可进一步应用于3个,甚至更多具有相互作用的蛋白质在细胞内的定位。

2.4多元PLA

   Fredriksson等运用相应的单抗或多抗设计出4组6元和7元探针,采用多元PLA技术进行胰腺癌和卵巢癌血浆生物标记分子的初步研究,将多种蛋白质分析转换成单一的DNA扩增检测,每次仅需lul样品便可以检测多个血浆生物标记分子,如整合素和金属蛋白酶8,CA-125,CAl9-9,羧肽酶A1,结缔组织生长因子、表皮生长因子受体、上皮细胞粘附分子、胰岛素样生长因子2、白介素7、巨噬细胞移动抑制因子等等。结果表明基于多种特异性抗体的多元PLA技术可以广泛地应用于探索和验证多种疾病的生物标记分子。

2.5 3PLA

   Schallmeiner等开发出一种新的多功能PLA技术,该技术命名为3PLA:在常规PLA基础上,将第1、2探针DNA连接末端用一段核苷酸序列封闭,以避免连接前发生非特异性结合;新增加一个第3探针,只有在3个探针同时结合到目的蛋白上时,1、2探针的末端封闭序列才能在第3探针连接端的竞争连接下脱落;与第3探针结合的l、2探针与一段盒式核苷酸(cassetteoligonucleotide)连接形成新序列,用于qPCR扩增(图3)。3PLA采用3种识别机制,更好地避免了非特异性结合,具有极高的特异性和灵敏度,可以从含有抑制剂的复杂样品中检测出含量低至100个分子的血管表皮生长因子(VEGF)、肌钙蛋白I和PSA。

3 PLA技术的应用

3.1用于生物标记因子的检测

   PLA技术最早即用于细胞因子的检测,近几年在检测生物标记因子方面的应用发展尤为迅速。Yang等应用SELEX技术筛选出一对核苷酸配基探针,分别针对凝血酶蛋白的两个不同表位,且3’端互补。荧光PCR结果表明,应用该对探针检测凝血酶,聚合酶反应初速度与样品中凝血酶的浓度在一定范围内(10pmol/L~1nmol/L)呈线性正相关(R。=0.996),检测限达6.9pmol/fL,检测灵敏度高。Kristiansdottir等以生物素链亲和素法将抗SPl(转移因子特异性蛋白1)单抗和单链DNA偶联制备邻位探针,检测干扰素调节因子5(IRF5)。Zhu等运用PLA技术检测前列腺癌的标记因子前列腺特异性抗原(PSA),可以有效地检测PSA单体及复合体,且与PSA前体或相似度极高的激肽释放酶hK2不发生交叉反应,从而提高检测灵敏度到0.07ug/L,约是其他常用方法的十分之一。

3.2用于蛋白质问相互作用研究

   多数蛋白质的生物活性需要通过二次修饰或与其他蛋白反应进行调控,而蛋白质复合物功能的发挥需要其所有组成蛋白共同参与,因此,开发一种用于研究蛋白质间相互作用的检测技术相当重要。Jarvius等采用P-LISA检测经过血小板衍生生长因子BB(PDGF—BB)刺激后细胞的血小板衍生生长因子受体B(PDGFRp)磷酸化的程度。首先分别选择抗鼠、抗兔免疫球蛋白(一抗)的抗体(二抗)与DNA单链偶联制备成二抗探针。细胞的PDGFRB分子受到PDGF—BB刺激后形成二聚体并发生磷酸化,分别以抗磷酸化rryr一751残基的鼠源一抗和抗PDGFRB的兔源一抗与之结合,则同一PDGFRp分子二聚体上会有两种一抗紧密相邻,加入二抗探针后,每对探针的DNA单链紧密相邻,在连接酶作用下可利用带有荧光标记的DNA短序列形成环状DNA分子;而未受刺激的PDGFR~分子不发生磷酸化,则只能结合兔源一抗,从而不能继续反应,通过荧光显微镜观察不到荧光。

   Gustafsdottir等运用PLA分析血管上皮生长因子A(vascular endothelial growth factorA,VEGF~)与其两种受体VEGFR-1和VEGFR~的作用,检测结果与受体磷酸化分析结果一致,而检测操作简单,时间仅需3小时,并且可以建立剂量响应曲线,根据曲线计算蛋白间亲和能力(半数最高抑制浓度,IC50)。

3.3用于蛋白--DNA相互作用研究

   Gustafsdottir等根据PLA技术原理,建立了一种新的体外检测方法,可以准确灵敏地分析细胞核内蛋白和核酸的相互作用,弥补凝胶阻滞分析(electrophoreticmobility shiftassay,EMSA)等方法的不足。他们首先设计了一对不同的PLA亲和探针:一条是以多抗或单抗为识别分子的PLA探针,另一条则一端为双链DNA的DNA核酸配基。探针的抗体或双链DNA端可以分别特异性地识别待测的DNA结合蛋白(或者两个相互作用的蛋白质与DNA分子)相关位点,另一端则可以和连接互补序列杂交。一旦这对特异性探针同时结合到DNA结合蛋白上,探针的游离端便在连接酶的作用下形成一段序列特异性模板,通过实时荧光PCR即可分析待测DNA结合蛋白与双链DNA之间的相互作用。应用此技术检测人类疾病相关转录因子p53,HNF4c~,USFl,结果证明该方法操作简单,无需特殊设备,对试剂与样品的消耗量小,检测灵敏度极高,可以精确到1~10个细胞,且检测结果重复性好,与EMSA方法以及模体预测软件得出的结论一致。因此,可将该方法用于深人分析DNA结合蛋白的序列特异性和评估转录因子结合位点多态性效应。

3.4用于疾病诊断研究

   目前传染性疾病诊断的主要手段之一是检测微生物病原蛋白和病原核酸。但由于感染时产生的蛋白抗原的种类和数量远远多于病原核酸,检测病原蛋白将比检测病原核酸更灵敏、更重要。然而,目前虽然有一些可以监测进行性感染的蛋白质诊断方法,但其检测灵敏度相对很低。而PLA技术可以非常灵敏地检测复杂生物样品中的蛋白质,监测细菌和病毒相关蛋白,检测灵敏度高,操作简便快速。

   Gustafsdottir等建立了检测劳森氏胞内菌(Lawsonia intracellularis)和猪细小病毒(Porcineparvovirus)的固相PLA和液相PLA方法,并与ELISA法和定量PCR法进行比较,结果证明:PLA法可以直接检测复杂生物样品(如胎儿组织、粪便)而无需前处理,检测灵敏度能比常规检测方法提高3~4个数量级。液相PLA可以一步法检测样品,无需洗涤或分离,样品量仅需要lul,而常规ELISA法检测的样品量至少是其1000倍;固相PLA方法可以极其灵敏地分析复杂组分样品中的微生物病原量,由于低浓度特异性抗体的加入,大大降低了探针的非特异性结合,且加入的过量连接序列也使得探针的未结合末端被“封闭”,最终PLA检测的非特异性范围远远小于定量PCR方法,甚至可以精确到1个或几个病原微生物。田间试验表明PLA方法检测结果与ELISA法及HA法的结果有良好的相关性。

   Pai等根据细菌芽孢表面蛋白性质,合成多价短肽-DNA-藻红蛋白复合物作为PLA探针“burr”,通过实时PCR检测细菌芽孢可以精确检测到100个炭疽杆菌、10个枯草芽孢杆菌、1个蜡状芽孢杆菌的芽孢。Nordengrahn等应用此方法进行口蹄疫病毒(FMDV)野毒感染的诊断,结果表明,该PLA方法可以区别诊断7种FMDV血清型,检测病毒的灵敏度很高,是抗原捕获ELISA方法的100余倍;该方法可以检测到5TCID50的病毒,其灵敏度与实时RT-PCR相近。

   总之,PLA技术作为一项新的蛋白质分析工具,具有很高的特异性和灵敏度,可以用于炎症、肿瘤疾病等病理生理过程研究,甚至可用于细胞表面蛋白功能状态的观察,以及病毒和细菌等感染因子的检测,在基础研究和疾病诊断等研究领域中具有重大意义。

   中国生物工程杂志2009.8

 

邻位连接技术PLA在蛋白-蛋白相互作用,蛋白磷酸化修饰的应用

  

摘要 邻位连接技术(proximityligationassay,PLA),是新研发的一项高灵敏度的蛋白质体外分析技术。该方法利用一对邻位探针(proximityprobes)对靶分子进行双识别,通过连接反应产生可扩增的检测信号,以实时PCR进行放大和检测,将对蛋白质的检测转变成为对DNA的检测,实现痕量蛋白的分析,具有极高的检测灵敏度和特异性。综述了邻位连接技术的原理、研究进展以及该技术在蛋白质分析及疾病诊断领域的初步应用。
关键词 邻位连接技术 邻位探针 蛋白质分析 疾病诊断
中图分类号 Q51
收稿日期:20090210  修回日期:20090413
 通讯作者,电子信箱:bzshenzq@sina.com
  

邻位连接技术是近几年建立的一种可以用于研究蛋白质的定量、定位、相互作用、修饰以及功能的新
DNA连接技术。该技术通过一对邻位探针将特异性蛋白质检测转换为DNA序列分析,可以直接分析复杂的生物样品,检测灵敏度和精确度高。本文总结了国外相关报道,对PLA技术原理,PLA技术的种类进行了系统的介绍,并介绍了该方法在生物标记因子检测、蛋白质相互作用、蛋白质-DNA相互作用以及疾病诊断中的初步应用。
1 PLA技术原理
1.1 PLA技术原理
  DNA连接技术早在20世纪70年代首次发现连接酶之后便被应用于实验分析中,最早用于研究tRNA的分子作用机制。此后陆续出现了多种新的连接技术,如用于单核苷酸多态性标记(singlenucleotidepolymorphisms,SNPs)的寡核苷酸连接分析
(oligonucleotideligationassay,OLA)技术,以及用于基因组和蛋白质组分析的Padlock探针技术,这种寡核苷酸可以和特定的核酸序列反应环化而进行滚环扩增(rollingcirclereplication,RCA),而PLA便是应用一种类似机制的探针进行蛋白质检测的技术。
  PLA技术检测蛋白质的核心是一对邻位探针。该对探针将单链DNA与一对蛋白识别因子相连接,使其可以通过免疫吸附或其他方法同步结合到一个待测蛋白分子上。PLA反应分为3步:1)样品与带有靶特异性抗体的一对邻位探针共孵育,2条邻位探针双双与靶相应位点结合;2)加入连接试剂和PCR扩增试剂,在连接酶作用下使得同一目的蛋白上的邻位探针对DNA尾部的游离5′端和3′端与互补序列杂交并发生邻位连接反应,形成一个环状的蛋白质?蛋白识别分子?单链DNA复合物。3)采用实时定量荧光PCR扩增复合物中的单链DNA部分。只有在一对探针均与目标蛋白结合,且相互间距离足够贴近时,邻位连接反应才能够发生,因此PLA的非特异性检测极少,这一优点使得PLA与常规PCR或RCA方法相比,具有更高的特异性和检测灵敏度。

 

 

 中国生物化学与分子生物学报 2008年4期

邻位连接技术:一种新的高灵敏度蛋白质检测技术

蛋白质组学(proteomics)诞生以来,高效准确的蛋白质检测技术受到越来越多的关注,最近,一种高灵敏度的蛋白质检测技术,邻位连接技术(proximtyligationassay,PLA)被建立.该技术采用核酸适体(aptamer)或单/多克隆抗体.核酸复合物作为邻位连接探针(proximityprobes).当一对邻位探针同时识别同一个目标蛋白分子时,它们将在空间位置上相互临近,通过连接反应形成一段可扩增的DNA标签序列,该标签序列能够反映待测蛋白的种类及浓度.该技术将对蛋白质的检测转变为对DNA核酸序列的检测,实现了特殊蛋白质的检测,定量及定位.文章从该方法的产生背景,发展过程,原理以及探针制备等方面对该方法进行了系统的介绍,列举了该方法的几种重要应用,并对该方法在蛋白质组学研究领域的应用前景进行了展望.

 

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