核酸适配体荧光探针在生化分析和生物成像中的研究进展

作者:黄子珂;刘超;付强强;李进;邹建梅;谢斯滔;邱丽萍; 刊名:应用化学 上传者:郑跃峰

【摘要】核酸适配体是指通过体外筛选技术从核酸文库中筛选出来,能够高特异性、高亲和力识别靶标物的寡核苷酸序列,具有靶标类型广泛、合成简单、相对分子质量小、化学稳定性高、易于进行生物化学修饰等优点。核酸适配体能够通过折叠成特定的二维或三维构型与靶标物特异性结合,加上合适的信号转导机制,为重要靶标物的研究提供理想的分子识别与分子检测探针。荧光检测技术具有高灵敏、高分辨率、易于实现多元分析等优点。将核酸适配体的分子识别特性与荧光优异的光学检测性能相结合,在生命科学研究领域有着广泛的应用空间。本文主要综述了核酸适配体荧光探针常见的分子设计和信号响应方式,及其在细胞成像、亚细胞成像中的应用研究,并对核酸适配体探针目前面临的一些挑战进行了讨论,最后对其未来的发展方向进行了展望。

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核酸是生命体最基本的组成物质之一,对遗传信息的编码、储存和传输起着关键作用[1]。1953年,Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构,并预示了DNA依据碱基互补配对原则进行遗传复制[2]。这一发现具有划时代的意义,使生命科学的研究进入了分子层面。随后,核酸成为生命科学的核心研究对象[3-4],多种核酸分子工具被研发,并广泛应用于分子生物学、分子遗传学和临床医学等领域[5]。其中,核酸荧光探针依据碱基互补配对原则,能特异性识别目标基因序列,并结合分子水平的信号传导机制,将相关的生物信息转变为荧光的功能核酸分子[6]。与荧光蛋白探针[7-8]相比,核酸荧光探针无需对目标生物体系进行复杂的基因操纵,可以更直接、更真实地反映目标体系的生理状态。然而,传统的核酸荧光探针仅适用于基因序列的特异性检测,在一定程度上限制了其应用空间。 核酸适配体(Aptamer,也译为核酸识体、核酸适体或适配子)是指从人工合成的DNA/RNA文库中筛选得到的、能够特异性识别靶标物的单链寡核苷酸分子[9]。核酸适配体的靶标物类型广泛,包括离子、小分子、肽类、蛋白,甚至是整个活细胞、病毒、细菌或组织。除了对目标物具有高特异性和高亲和力外,核酸适配体还具有合成简单、相对分子质量低、化学稳定性高、毒性低、免疫原性低、程序可控和便于修饰上多种功能基团或材料等优点[10]。利用核酸适配体的分子识别特性,可设计多种针对不同类型靶标物的核酸适配体荧光探针,突破了传统的基于Watson-Crick碱基互补配对原则建立的核酸研究和应用的思路,极大地扩展了核酸探针在生命科学研究领域的应用范围。本文主要讨论核酸适配体荧光探针近十几年来的发展及其在生化分析和生物成像领域的研究进展。 1核酸适配体在生化分析中的应用 核酸适配体荧光探针由于具有设计灵活可控、合成简单、易于进行化学与生物功能化修饰等优点, 在生化分析领域有着广阔的应用空间[11]。本节就常见的核酸适配体荧光探针常见的信号响应机制做简单介绍。 1.1经典的分子信标设计 分子信标是指两末端分别标记了荧光基团和猝灭基团的发夹型寡核苷酸探针,其茎部一般含5~8个互补核苷酸对,环部序列一般含15~30个核苷酸并与目标序列互补[12]。当没有目标序列存在时,分子信标保持发夹结构,荧光基团和猝灭基团相互靠近(约为7~10 nm)。此时,荧光基团发出的荧光被猝灭基团吸收并以热的形式散发出去,导致荧光猝灭。当与目标序列杂交后,环部序列变成刚性的双链结构,使得荧光基团和猝灭基团彼此分离,从而恢复了荧光基团正常的荧光发射(图1A)[13],而所检测到的荧光强度与溶液中目标序列的浓度在一定范围内成正比关系。通过这种信号转导机制,使得在均相中即使不除去多余的信号探针也能保证较低的背景信号,这对生物体系的实时在线检测有着重要的意义。 基于经典的分子信标设计,Stanton等[14]设计了一种对凝血酶特异性响应的核酸适配体荧光探针。他们通过延长凝血酶核酸适配体的一端,从而使其自杂交形成发夹结构。当与凝血酶结合时,核酸适配体的分子构象发生改变,使得荧光基团与猝灭基团相互远离,从而产生荧光信号。他们利用该探针实现了10 nmol/L的凝血酶检测下限(图1B)。 1.2非经典的分子信标设计 然而,并不是所有的核酸适配体都适用于经典分子信标的设计。对于某些分子信标,如果采用发夹构型的设计,可能会产生结构上的限制,从而降低其对靶标物的亲和力。为了解决这个问题,Take等[15]将可卡因核酸适配体探针设计成一个两侧分别带一个单链区域的短发夹结构,并在这个结构

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