核酸適配體的體外篩選方法的最新研究進展

李亞楠趙潔張傲哲譚琰華茜張子劍

（1. 北京中醫藥大學基礎醫學院，北京 100029；2. 北京中醫藥大學中醫藥研究院，北京 100029）

核酸適配體的體外篩選方法的最新研究進展

李亞楠1趙潔1張傲哲1譚琰1華茜1張子劍2

（1. 北京中醫藥大學基礎醫學院，北京 100029；2. 北京中醫藥大學中醫藥研究院，北京 100029）

核酸適配體是用配體指數富集系統進化技術（SELEX）在體外篩選得到的一小段寡核苷酸序列，能夠選擇性的與不同的靶標特異性的結合，包括蛋白質、小分子、有機物、金屬離子、藥物等，具有高親和力和高特異性。這項技術的諸多優勢，使其迅速得到重視，核酸適配體在生物傳感器、基因芯片、新藥開發、納米技術等諸多方面應用廣泛。但是傳統的SELEX方法操作繁瑣，篩選周期長，需要幾個月的時間才能篩選出與靶標具有高特異性的核酸適配體。隨著SELEX的快速發展，近年來出現了很多新型的篩選方法，這些新的方法大大提高了篩選周期，極大的提高了篩選效率，拓展了核酸適配體的應用。總結介紹了近三年來出現的幾種新型的核酸適配體的篩選方法，包括氧化石墨烯SELEX（Multiple GO-SELEX）、單壁碳納米管輔助細胞SELEX（SWCNTs-assisted cell-SELEX）、基于芯片的細胞SELEX（on-chip Cell-SELEX）、序列構造SELEX（Sequence-constructive SELEX）、高保真SELEX（High-Fidelity SELEX），有助于人們進一步了解、認識核酸適配體篩選技術的發展現狀，更好促進核酸適體在各個領域中的應用前景。

核酸適配體；SELEX；篩選方法

核酸適配體是能夠與特定靶分子結合且具有高親和力和高特異性的寡核苷酸［1］。與抗體相比，核酸適配體具有很獨特特點［2］。第一核酸適配體高親和力和高特異性，核酸適配體與靶分子的結合力很強，對靶分子的結合具有很高的特異性，能夠識別分辨不同配基上的一個基團差別，甚至能夠識別同一種蛋白分子不同構象的不同功能狀態；第二靶分子范圍具有廣泛性，核酸適配體不僅能夠與蛋白質、酶、生長因子、抗體等生物大分子結合，還能與金屬離子、核苷酸、氨基酸等小分子物質特異性結合；第三容易修飾和標記，核酸適配體能夠在體外通過化學合成的方法合成，可進行特定的位點修飾，如酶、生物素、放射性同位素、生物素等；第四具有良好的穩定性，核酸適配體本質是核酸，對溫度、酸堿度、離子強度具有一定的耐受性，便于長期保存、運輸和應用，與抗體相比，具有更好的穩定性。第五核酸適配體能夠通過聚合酶鏈反應大量擴增，一旦篩選得到特異性的核酸適配體，就可擴增出更多純度很高的產物［3-5］。

典型的核酸適配體的篩選過程主要包括三個步驟：（1）結合：即靶標與隨機寡核苷酸文庫孵育，形成核酸適配體-靶標復合物。（2）分離：即通過特定的方法，如離心、濾膜過濾等分離結合靶標和未結合靶標的核酸適配體分離開。（3）擴增：即對獲得的能與靶標特異性結合的核酸適配體序列進行擴增，生成次級文庫，進行下一輪的篩選［6，7］。

然而傳統的SELEX方法操作繁瑣，篩選周期長，需要幾個月的時間才能篩選出與靶標具有特異性的核酸適配體［8］。隨著SELEX的快速發展，近年來出現了很多新型的篩選方法，這些新的方法大大提高了篩選周期和篩選效率，拓展了核酸適配體的應用，如以提高核酸適配體選擇性為目的的篩選方法：反向篩選（counter SELEX）、消減篩選（subtractive SELEX）、光交聯篩選（photo SELEX）、負篩選（negative SELEX）；以提高核酸適配體普適性為目的的核酸適配體篩選方法：混合篩選（blended SELEX）、復合靶篩選（complex targets SELEX）、表達盒篩選（expression SELEX）、切換篩選（toggling SELEX）；以縮短篩選周期為目的的高效篩選方法：自動化篩選（automated SELEX）、不放大篩選（non-SELEX）、熒光磁珠篩選（FluMag SELEX）；不同結合庫相結合以增加目標核酸適配體篩選機率的方法：加尾篩選（tailored SELEX）、基因篩選（genomic SELEX）等［4，6，9-14］。本文將介紹幾種近3年來發展的新的篩選方法，這不僅有助于人們進步了解、認識核酸適配體篩選技術的發展現狀，同時能更好地促進核酸適配體在各個領域的應用。

1 氧化石墨烯SELEX（Multiple GO-SELEX）

氧化石墨烯（graphene oxide）是一種性能優異的新型碳材料，具有較高的比表面積和表面豐富的官能團，材料在多領域應用范圍廣泛，近些年一直是一個研究熱點［15，16］。Multiple GO-SELEX方法正是采用石墨烯氧化物進行篩選的一種簡單，快速，高通量的核酸適配體的篩選方法，有效地降低了篩選成本，縮短了SELEX的篩選時間。這是一種對蛋白質，對病毒顆粒都適用的篩選方法。氧化石墨烯能夠與核酸適配體通過π-π鍵結合，但當靶標到GO表面上時，其與核酸適配體結合，結合后具有高親和力的單鏈DNA結構就會被改變，在GO表面的π-π鍵被破壞后折疊成新的空間結構，結果導致從GO表面釋放出來，而非特異性的核酸適配體仍然結合在GO表面，從而能夠快速有效的將特異性與非特異性核酸適配體分開。其篩選方法如圖1所示，篩選第一步首先先進行反篩選，去除假陽性結合，然后加入氧化石墨烯進行篩選。2014年，Nguyen等［17］第一次報道了這種Multiple GO-SELEX篩選方法，這種方法可以同時篩選多個靶標的核酸適配體。他們利用此方法在3種農藥中成功獲得的10種不同的單鏈DNA核酸適配體，其親和力在10-100 nmol/L的范圍內。除了每個靶標的核酸適配體外，他們發現了幾個靈活的多目標核酸適配體，能與2個或3個不同的分子結合。這些能與多種靶標結合的適體不但對小分子的快速結合有重要意義，而且也有利于核酸適配體生物傳感器的發展。Gu等［18］研究報道，用GO-SELEX篩選方法篩選出了能夠與岡田酸（okadaic acid，OA）特異性結合的核酸適配體，并將這種核酸適配體應用于酶連適配體檢測（ELAA）方法中，該方法可用于檢測具有高靈敏度的特點，不僅可以用于檢測海產品中的岡田酸，還可能適用于其他小分子分析物的測定。隨著不斷地發展與提高，現如今，氧化石墨烯已經成為核酸適配體領域研究的一個熱點。但是氧化石墨烯在生物效應和安全性能方面的研究目前還是比較少，如果其運用于生物體，是否會結合DNA等生物大分子，影響生物體正常的生理功能，這些問題仍需解決［19］。

圖1 氧化石墨烯SELEX篩選技術示意圖

2 單壁碳納米管輔助細胞SELEX（SWCNTsassisted cell-SELEX）

碳納米管作為一維納米材料，其廣闊的應用前景不斷地被探索。單壁碳納米管（single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）在生物醫學中已經被廣泛研究，核酸、蛋白質以及其他一些難溶性的含芳環藥物等能夠通過物理包埋和π-π吸附等方式加載到碳納米管表面［20，21］。單壁碳納米管輔助細胞SELEX這是一種采用單壁碳納米管輔助的細胞篩選方法，具有很高的篩選效率，能夠有效的縮短篩選周期，與普通Cell-SELEX相比，此法僅需6輪篩選，而傳統的Cell-SELEX需要15輪的篩選過程。傳統的Cell-SELEX方法采用簡單的洗脫方法來分離特異性與非特異性結合的核酸適配體，這種分離方法會導致分離不完全，而SWCNTs-assisted cell-SELEX這種方法能夠在單壁碳納米管輔助下，快速有效的將特異性與非特異性結合的核酸適配體分離開來。單鏈的DNA能夠通過π-π堆積力而成螺旋形的包裹在單壁碳納米管上，因此在分離這一步時加入單壁碳納米管。加入后，不能與靶分子結合的或者結合力較弱的核酸適配體都能夠吸附于納米管上，而特異性的核酸適配體由于與靶標的特異性結合而仍然留在細胞表面，從而達到了有效的分離目的。2014年，Tan等［22］第一次報道了這種篩選方法，他們選用兩種鼻咽癌（nasopharyngeal carcinoma，NPC）的細胞系CNE2細胞和HONE 細胞分別作為靶細胞和陰性對照的細胞，結果只用了六輪的篩選過程就篩選到了對CNE2細胞具有高特異性和高親和力的核酸適配體，這引起了關于鼻咽癌的臨床診斷和生物醫學應用方面的高度關注。同時，這種方法為癌癥分化和癌轉移機制的研究提供了一個有效的工具。

3 基于芯片的細胞SELEX（on-chip Cell-SELEX）

以整個細胞作為靶標來篩選出與其特異性結合的核酸適配體的技術稱為細胞SELEX（cell-SELEX）［23］。隨著核酸適配體在各個領域的普遍關注，核酸適配體在生物醫學中得到了廣泛的應用。on-chip Cell-SELEX這種篩選方法是在Cell-SELEX篩選方法基礎上發展改進的一種更快速的篩選方法，在細胞篩選的基礎上，增加微流控芯片。這種篩選方式只需要5輪的篩選，這與傳統的篩選方法相比，大大的縮短了篩選過程。Hung等［24］用這種自動化的芯片SELEX篩選方法篩選得到了13種卵巢癌細胞（Ovarian cancer）的高特異性核酸適配體，其中3種核酸適配體與靶標的解離常數達到1.8、8.3和1.3 nmol/L，這種篩選系統將來可能用于靶向治療和檢測。Hung等［25］用這種芯片細胞SELEX自動篩選系統成功的篩選出了8種結直腸癌細胞（CRCSC/CRC）的特異性核酸適配體，其中有3種具有很高的特異性，與靶標的解離常數達到27.4、28.5 和12.3 nmol/L。

4 序列構造SELEX（sequence-constructive SELEX）

序列構造SELEX，這是一種通過在篩選過程中，對核酸適配體序列進行一定修飾，從而使其提高對靶標的親和力和特異性，這種篩選過程的分離步驟在被鏈霉親和素包被的磁珠的幫助下完成的。2014年，Wang等［26］報道了這種篩選方法。他們用這種新的階梯序列構造的篩選方法用于Globo H（一種和腫瘤相關的表面抗原）篩選，并篩選出了對Globo H具有高親和力和高特異性的核酸適配體。篩選過程如圖2所示，每一步的篩選過程都包含7輪的篩選步驟。第一步篩選中起始的寡核苷酸文庫選擇了中間部分具有15個隨機核苷酸，兩端為固定序列，經過7輪的篩選，得到了37種不同的寡核苷酸，對其與Globo H的親和力進行測定后，選擇了4種特異性的親和力較高的寡核苷酸用于下1步的篩選。在第2步的篩選中，先將第1步得到的4種寡核苷酸分別用四種含有14個隨機序列的寡核苷酸進行修飾，修飾后通過七輪的篩選得到高親和力的特異性核酸適配體用于第3輪的篩選。第3步的篩選過程同第2步的。經過3輪篩選，將得到的適體進行克隆，測序并對其分子結構進行分析。分析發現，延長序列被修飾鹽延長后，其特異性顯著增加。但是這種篩選方法篩選周期長，每一步的篩選，都需要7輪篩選，因此這種方法的應用還有待于進一步研究與完善。

圖2 序列構造SELEX方法示意圖

5 高保真SELEX（High-Fidelity SELEX）

高保真SELEX即Hi-Fi SELEX，這種篩選方式有3個主要的特點。第一，在篩選過程中引用了一種固定區封閉元件即互補序列，從而能增加起始文庫的功能多樣性，這是因為通常情況下，兩種常見的側翼序列會干擾核酸適配體的空間折疊和功能，從而降低了起始文庫的多樣性。第二，靶標固定在涂有吸附鈍化的聚乙二醇和表面活性劑的微量滴定板上，大大增加了靶分子與核酸適配體結合特異性。這種化學修飾表面不僅大大的減少了非特異性結合，而且可以在核酸適配體和鄰近靶分子之間起到一個橋接的作用。第三，擴增時用數字聚合酶鏈反應（dPCR）的方法，擴增更具有特異性和準確性，能夠實現絕對定量。2015年，Ouellet等［27］首次報道了這種新的篩選方法，并用這種方法以凝血酶α、人因子 IXa、人因子X及人因子 D為靶標篩選出其特異性核酸適配體。用這種方法篩選3輪之后，靶分子與核酸適配體間的解離常數（Kd）值就達到了nM水平。他們用Hi-Fi SELEX篩選體系確定了能夠抑制補體因子D的結構相關的核酸適配體，其能夠抑制補體系統激活途徑中的旁路途徑，這有助于旁路途徑相關疾病的治療研究和發展。

6 展望

近年來，關于核酸適配體的篩選方法發展迅速，在很多領域都得到了廣泛應用，隨著不斷地發展，研究者將很多新型的材料應用于核酸適配體的篩選上，使得很多新的篩選技術不斷被發現、優化和完善，從篩選速度、特異性、準確性、高效性等各方面都不斷提高。從傳統的SELEX技術，發展到光交聯篩選（photo SELEX）、自動化篩選（automated SELEX）、熒光磁珠篩選（FluMag SELEX）等新的篩選方法，再到本文介紹到的更優化的篩選技術氧化石墨烯SELEX（Multiple GO-SELEX）、單壁碳納米管輔助細胞SELEX（SWCNTs-assisted cell-SELEX）、基于芯片的細胞SELEX（on-chip Cell-SELEX）、序列構造SELEX（Sequence-constructive SELEX）、高保真SELEX（High-Fidelity SELEX）。如今，核酸適配體作為一種有效的工具，在化學生物學、分析化學、生物醫學、疾病診斷，疾病治療、藥物研發等研究中廣泛應用。未來，核酸適配體不僅會在疾病治療和診斷上發揮重要的作用，而且會在基礎研究中扮演重要角色，為生物分子間相互作用和功能的研究帶來前所未有的準確性。核酸適配體還有許多潛在的應用有待發展，需要我們開闊自己的想象力，去不斷的探索與發現。

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（責任編輯 狄艷紅）

The Latest Progress on the Methods for in Vitro Screening Aptamers

LI Ya-nan1ZHAO Jie1ZHANG Ao-zhe1TAN Yan1HUA Qian1ZHANG Zi-jian2
（1. Basic Medical College，Beijing University of Chinese Medicine，Beijing 100029；2. Research Laboratory Center of Beijing University of Chinese Medicine，Beijing 100029）

Aptamers are single-stranded oligonucleotides that are screened by systematic evolution of ligands by exponential enrichment（SELEX）in vitro，which can selectively bind to different target with high affinity and high specificity，including protein，small molecules，organic compound，metal ions，drugs，etc. This technology has attracted more attentions for its advantages and thus it has been applied widely in many aspects such as biological sensor，gene chip，new drug development，nano technology，etc. However，the traditional SELEX method is cumbersome，which usually takes several months to screen out the target of nucleic acid in high specificity. With the rapid development of SELEX，many novel screening methods have emerged in recent years. The screening cycle and the screening efficiency are improved with these new methods，and the application of aptamers is expanded. This review introduces several new screening methods in recent three years，including multiple GO-SELEX，SWCNTs-assisted cell-SELEX，on-chip Cell-SELEX，Sequence-constructive SELEX and High-Fidelity（HI FI）SELEX，It is helpful for us to know more about the latest progress on the methods for in vitro screening aptamers and to promote the application of aptamers in various fields..

aptamer；SELEX；screening method

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.04.010

2016-09-09

國家自然科學基金項目（81403180）

李亞楠，女，碩士研究生，研究方向：生物化學與分子生物學；E-mail：18101297818@163.com

張子劍，男，助理研究員，研究方向：中藥藥理學；E-mail：zhangzijianqq1012@163.com