aptamer introduction核酸适配体的介绍
核酸适配体及其在化学领域的相关应用
202学术论丛核酸适配体及其在化学领域的相关应用王致浩青岛17中摘要：化学是自然科学中的一种，根据其相关规律的研究和创新，能够创造出新物质的科学。
化学能够充分融入到各种先进的学科当中，并且对其他相关技术的发展具有一定推动作用。
本文根据对核酸适配体的研究，着重分析了其在化学领域当中的重要应用，及其相关应用成果。
关键词：化学领域；核酸适配体；筛选技术引言：现代文明的发展和科学的应用与创新，都在不断推动着民众生活水平和质量的提升。
其中相关学者在化学领域的有关应用，也在不同程度地促进现代科学的发展，以及各个领域的科学完善。
例如，核酸适配体在化学领域中的应用，具有十分重要的现实应用价值。
本文通过对核酸适配体的研究和应用，以及其在化学领域中取得的相关研究成果进行分析和阐述。
一、核酸适配体概述核酸适配体，简而言之就是通过人工手段合成的脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)。
Aptamer(核酸适配体)通常情况下是由10-100个碱基(Base)组成，在与靶标进行适当的结合时，会通过Base配对之后形成稳定的二级结构，例如Hairpin、G-四聚体等，在此类结构中Base也是促进靶标结合的重要组成部分。
相关材料还表明，Aptamer的作用与靶标的作用并不是单纯的同一种作用力，而是有多种不同的作用力共同起作用的结果[1]。
二、核酸适配体的筛选方法(一)传统筛选方法受先进科学研究技术不断进步的影响，对核酸适配体的研究和筛选方式也逐渐成熟。
其中传统的核酸筛选方式，究其根本，是以构建较大容量Aptamer文库为基本原理，之后通过靶标与Aptamer之间的相互作用，采用先进的科学分离方式将Aptamer中与靶标结合或未结合的分子互相分离，之后洗脱收集，最后进行光电导继电器反应，成就核酸适配体指数富集。
在重复多次操作之后，最终得到具有有效的特异性和高亲和力的靶分子结合核酸适体[2]。
(二)改进筛选方法基于传统的筛选方式进行深入的研究和创新，最终得出改进的Aptamer筛选方式，这种方式是根据具体应用目的和相关要求进行的适当改进。
核酸适配体
S 1989年，悉尼· 奥尔特曼、托马斯· 切赫因为对RNA的催化
作用的研究共同获得诺贝尔化学奖。
支持RNA为生命起源假说的可能证据：
S 如果我们能找到完全或者主要依赖RNA进行生命活动的生
物；
S 如果在现存生物的基因组里找到负责基本生命活动的功能
性RNA的"痕迹"；
S 如果我们能够从随机RNA序列库中筛选到能够完成基本生
核酸适配体的化学本质与识别 机理
S 核酸适配体的化学本质是核酸，它与配体的结合是基于单
链核酸结构和空间构象的多样性。在靶分子存在的条件下， 它可通过链内某些互补碱基间的配对以及静电作用、氢键 作用等自身发生适应性折叠形成发卡(hairpin)、假结 (pseudoknot)、凸环(stem loop)、G2四分体(G2quartet)等稳 定的三维空间结构。这样形成的适配体结构与靶分子之间 有较大的接触面积，能与靶物质的紧密结合，具有高亲和 力和高特异性。
APTAMER
适配体
S
Aptamers
(from the Latin aptus - fit, and Greek meros - part)
S 核酸适配体（Nucleic Acid aptamers） S 多肽适配体（Peptide aptamers）
什么是核酸适配体？
S 核酸适配体是具有稳定的二级结构，能够和靶标分子特异性结合
核酸适配体的应用
S 核酸适配体在分析化学中的应用 S 核酸适配体与疾病诊断和新药研发
核酸适配体在分析化学中的应用
S 靶物质的分析与检测
该方面应用的基本思路是将各种报告基团，如荧光试剂，定点标 记在aptamer核苷酸上，然后在一定条件下，使aptamer与靶物质 发生相互作用，再通过对报告基团的信号检测实现对靶物质的定 性检测或定量分析。 Tan等将aptamer应用于分子信标研究，发展了一种高效、高灵敏 检测生物分子的方法—分子aptamer信标(MAB)。他们将凝血酶 aptamer的5´和3´端分别标记上荧光素和猝灭剂，凝血酶不存在时， aptamer分子呈茎环结构，两端的荧光素与猝灭剂相互靠近发生 能量转移而观察不到荧光；在结合凝血酶后aptamer分子构象改 变，致使MAB的荧光素与猝灭剂分开从而可以检测到荧光信号， 并且随着凝血酶浓度的增加荧光强度增强。
_小分子靶标的核酸适配体筛选的研究进展
2016年4月Ｖｏｌ．34Ｎｏ．4Ａｐｒｉｌ2016ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ361 369多尺度靶标的核酸适配体筛选研究进展专栏·专论与综述ＤＯＩ：10．3724／ＳＰ．Ｊ．1123．2015．05001收稿日期：2015－05－05*通讯联系人．Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｕｆｅｎｇｑｕ＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．基金项目：国家自然科学基金项目（21175011，21375008）；北京市科学技术研究院青年骨干计划项目；“十二五”农村领域国家科技计划课题（2011ＢＡＤ26Ｂ040406）．Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｔｅｍ：ＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏｓ．21175011，21375008）；ＹｏｕｔｈＰｌａｎｏｆＢｅｉｊｉｎｇＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＴｗｅｌｆｔｈＦｉｖｅ－Ｙｅａｒ－ＰｌａｎｉｎＮａｔｉｏｎａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｔｈｅＲｕｒａｌＤｅｖｅｌ－ｏｐｍｅｎｔ（Ｎｏ．2011ＢＡＤ26Ｂ040406）．小分子靶标的核酸适配体筛选的研究进展王勇1，赵新颖1，2，石冬冬3，杨歌1，屈锋1*（1．北京理工大学生命学院，北京100081；2．北京市理化分析测试中心，有机材料检测技术与质量评价北京市重点实验室，北京100089；3．中国农业科学院饲料研究所，北京100081）摘要：核酸适配体（ａｐｔａｍｅｒ）是通过指数富集配体系统进化（ＳＥＬＥＸ）技术筛选得到的核糖核酸（ＲＮＡ）或单链脱氧核糖核酸（ｓｓＤＮＡ）。
核酸适配体通过高亲和力特异性地识别小分子、蛋白质、细胞、微生物等多种靶标，在生物、医药、食品和环境检测等领域的应用日渐增多。
但目前实际可用的核酸适配体有限，其筛选过程复杂，筛选难度大，制约了其应用。
与生物大分子、细胞和微生物等靶标不同，小分子靶标与核酸分子的结合位点少、亲和力弱，且靶标通常需要固定在载体上。
核酸适配体简介
核酸适配体简介
nucleic acid oligonucleotides aptamers
适配体的类型：
★反义核苷酸链
★随机核苷酸链
反义核苷酸链
通常包含15-20个核苷酸,其碱基组成与它们的 靶序列是互补的。但是在实际应用中, 存在反 义寡核苷酸容易被核酸酶降解、对特定靶位点 的识别不够好、有一定毒性等问题,所以要对 适配体中的核苷酸进行了各种各样的化学修饰。 修饰位点一般在碱基、磷酸骨架等。★
寡核苷酸序列形 成可与配体特异 性共价结合的二 级结构，配体如 氨基酸、多肽、 甚至金属离子都 可以同随机 相互作用Selex技术简介
Selex技术简介
核酸适配体的应用
随着筛选技术研究的发展,越来越多靶分子获 得高亲和力的、高特异性的适配体,并广泛应 用于多个研究领域,特别是分子识别检测领域。 与成熟的抗体实验相比,目前适配体可以补充 抗体性能的不足, 但是不能完全取代抗体。
前景展望
核酸适配体（Aptamer）是一类新型的识别分子。 与单克隆抗体相比，其分子量较低（15-50碱基）， 没有免疫源性和毒性，可通过化学合成制备、结构 改造以及标记，化学稳定性好，能可逆的变性与复 性，可在常温下保存和运输。这些优点使适体有望 取代和超过抗体，在生命分析中起重要的作用 。
基于目前的现状和机遇，我们可以从以下四个方面 开展核酸适体的研究工作： 1.首先根据研究和实际应用的需要，筛选重要的生物 活性分子的适体，从而发展系列的针对特定分子的 分析方法。而不囿于现有适体的缺乏。 2.研究所筛选适体的结构特性，优化、改造适体的结 构，从而进一步缩小适体的分子大小、提高生物稳 定性、增加在复杂生物体系中特异性。 3.针对应用的需要，发展更巧妙、更简便的适体分子 探针；构建方便、实用的检测方法（如目视比色分 析、传感分析、原位成像分析等）。 4.模拟适体分子的结构，设计和筛选小分子量的识别 分子，构建可自由透过细胞膜的小分子探针，用于 生命活体分析。
aptamer introduction核酸适配体的介绍
固定序列碱基数目：18-21 nt；随机碱基数目：30-60 n论上，任何物质都能成为核酸适体的筛选靶标
在筛选实验中，DNA和RNA核酸适体在亲和性和特异性方面并没有差异，但是在其 它方面各具有各自的优点。如RNA核酸适体具有容易获得和在细胞内表达等：靶蛋白保持着与活体内蛋白一致的天然构象； 靶蛋白不需要纯化； 不需要对靶分子事先了解； 可以同时对多种靶蛋白进行筛选； 有利于新显型的发现
缺点：存在大量能引起干扰的物质，需要增加反筛提高筛选效率
PNAS, 1998, 95: 2902-2907; 2003, 100: 15416-15421
微流体筛选 (microfluidic SELEX)
（4）考察核酸适体的功能
为了能更好的利用核酸适体，必须研究核酸适体对其蛋白靶标分子是否具 有生物学功能。实验证明一些核酸适体能抑制其靶标分子活性，如凝血酶核 酸适体能抑制凝血酶的功能；但有一些核酸适体能激活其靶标分子活性。
（2）确定核酸适体与靶标分子相互作用的最少碱基数和二级结构
利用核酸结构预测软件分析全长序列和保守序列的二级结构和分析，这种结 构预测通过单链或双链位点选择剪切的试剂（化学试剂或核酸酶）来验证或者 在结构预测的基础上直接合成预测的最小核酸适体序列并考察它们与靶标分子 结合情况。
（3）确定核酸适体基因组中某段感兴趣的核酸序列（50-500 碱基）两端引入用于PCR扩增的固定序列。
1.2.3 核酸适体靶分子的多样性
简 Zn2+ 单 Ni2+ 体 系 金属离子
适配体
Aptamers•适配体（aptamer）是指利用指数富集的配体系统进化（SELEX）技术，从人工合成的寡核苷酸文库中筛选获得的能够与靶分子特异结合的短单链DNA和RNA分子。
筛选得到的适配体可以与DNA，RNA，蛋白质或其它靶分子结合，影响这些靶分子的性质，从而起到改变与靶分子相关的生物学功能的效果。
•1.高亲和性•2.高特异性支持RNA为生命起源的三个假说：一、如果我们能找到完全或者主要依赖RNA进行生命活动的生物；二、如果在现存生物的基因组里找到负责基本生命活动的功能性RNA的"痕迹"；三、如果我们能够从随机RNA序列库中筛选到能够完成基本生命活动的RNA序列。
1、Tuerk C, Gold L. 1990. Systematic evolution of ligands by exponential enrichment: RNA ligands to bacteriophage T4 DNA polymerase.Science 249:505–102、Ellington AD, Szostak JW. 1990. In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands.Nature 346:818–221.Ellington和Szostak创造了适配体(aptamer)这个名词，以指代从SELEX技术中针对靶标系统进化出的核酸配体。
2.Tuerk和Gold描述了提出并命名了SELEX技术。
S ystematic E volution ofL igands by E xponentiale nrichment指数富集的配体系统进化技术——基本流程：1.设计并人工合成单链寡核苷酸文库2.文库与靶分子结合3.将与靶分子结合的适配子分离出来4.扩增分离出的适配子成次级文库5.再与靶分子结合进行下一次筛选6.克隆、测序适配体抗体体外体内靶分子范围极广靶分子具有免疫原性不易产生免疫反应易产生免疫反应适配体siRNA靶分子存于胞内靶分子存于胞内或胞外通过碱基互补作用多种作用力形式表现症状：痢疾、呕吐和腹部疼痛据报道10 -1000000个菌体细胞就可引起食物中毒引起的食物中毒事件的沙门氏菌前3 位依次为：肠炎沙门氏菌(S.enteritidis)鼠伤寒沙门氏菌（S.typhimurium）鸭沙门氏菌(S. anatum)沙门氏菌属属于肠杆菌科(Enterbac teriaceal)•Kaccffmamn-White Scheme 系统根据体细胞，鞭毛和荚膜抗原的差异把沙门氏菌分为不同血清群或血清型•根据发酵不同糖的能力，抗生素抵抗力，噬菌体类型和质粒特征来划分应用传统的检测方法整个过程需要48-72h利用快速检测技术与富集培养基技术（SELEX）相结合能使整个过程所需时间减少•以活的肠炎沙门氏菌作为产生分子探针的靶标，建立一个单链DNA文库。
核酸适体aptamer：一种具有潜力的肿瘤药物“靶向配基”
核酸适体aptamer：一种具有潜力的肿瘤药物“靶向配基”核酸适体（aptamer）可描述为化学抗体，是用配体指数富集法系统进化（SELEX）技术筛选获得的单链DNA或RNA，借其自身形成的空间结构与靶标分子特异性识别，具有靶分子广、亲和力高、特异性强、易改造修饰等特点。
本文简述核酸适体作为肿瘤药物“靶向配基”的应用研究。
标签：核酸适体；靶向配基；肿瘤药物肿瘤的靶向疗法是利用特异性“靶向配基”的介导，将药物或其他杀伤肿瘤的物质选择性地运送到肿瘤部位、选择性地杀伤肿瘤细胞以提高治疗效果的一种治疗方法。
近年来国内外核酸适体（aptamer）介导的主动靶向给药研究成为热点。
核酸适体（aptamer）是经过一种新的体外筛选技术（systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX），从随机单链寡聚核苷酸文库中得到的能特异结合蛋白或其他小分子物质的单链寡聚核苷酸，可以是RNA，也可以是DNA，长度一般为25～60个核苷酸[1]。
SELEX技术自Tuerk等[2]1990年发明以来，在临床诊断、靶向药物研制方面得以广泛应用。
首个核酸适配体药物”Macugen”[3]由美国FDA在2005年批准上市，成为核酸适配体领域的一个里程碑。
美国Achemix、SomaLogic，德国Noxxon AG等多个公司正在开发核酸适配体药物和诊断试剂。
肿瘤细胞靶向给药是提高肿瘤治疗效果减少毒副作用的有效途径。
将药物偶联于肿瘤细胞特异性配体上是靶向给药的主要方法。
核酸能特异性结合细胞并且随之内化，是理想的靶向细胞输送剂。
核酸适体“靶向配基”介导或修饰的药物及药物纳米制剂，为主动靶向肿瘤细胞给药系统构建开拓了新方向。
本文简要综述适体作为肿瘤药物“靶向配基”的应用研究。
1 核酸适体作为肿瘤药物“靶向配基”的优势具有高特异性与亲和性“靶向配基”的筛选，是制约主动靶向给药系统研究的瓶颈[4-5]。
核酸适配体技术在胰腺癌诊断和治疗中的应用
可与目标靶分子特异性结合，具有良好的靶标识别 能力，可与传统的抗体相媲美，又被称为化学抗体[3]。 与传统抗体相比，aptamer 具有分子质量较小，靶标 广泛，免疫原性低或无免疫原性，生产成本低，易于 化学修饰等优点。
２ 核酸适配体用于胰腺癌早期诊断和治疗
胰腺癌（pancreatic adenocarcinoma，PAC）是一 种恶性程度很高、诊断和治疗都很困难的消化道恶 性肿瘤，约 90%为起源于腺管上皮的导管腺癌。胰 腺癌缺乏特异性的体征和症状，近年来其发病率和 死亡率明显上升，或将超过乳腺癌、前列腺癌和直 肠癌，成为继肺癌之后的第二大癌症 [6]，胰腺癌的 手术切除率较低，5 年生存率约为5%[7]。目前临床上 胰腺癌的早期筛查手段主要包括 B 超、CT、磁共振 胰胆管成像（MRCP）、超声内镜（EUS）和经内镜逆 行胰胆管造影（ERCP）等。CT 是胰腺成像检查的首 选方式，也是术后评估胰腺癌复发的首选方法。然 而CT诊断的敏感度随肿瘤直径的缩小而降低，且检 查费用较高，限制了其作为无症状高风险人群的常
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Ito等人利用三碘甲腺原氨酸作为反向筛选物质，获得能特异识别四碘甲腺原氨 酸的核酸适体。
Methods, 2000, 22: ed它们的删减往往会减弱核酸适体的结合 作用。但在有些筛选中，固定序列也可能与中间的随机序列形成一些二级结构从而 干扰核酸适体的筛选。因此，在得到核酸适体序列后还需要进一步的截短实验来确 定核酸适体的核心序列。
1.1 新型分子探针——核酸适体 (aptamer)
核酸适体：能高亲和性结合靶分子的20-50碱基的寡聚核苷酸
“Aptamer”: Latin word “aptus” 适合 + Greek word “meros” 粒子
1.1.1 核酸适体的优点
核酸适体与抗体的性能比较
性能
பைடு நூலகம்
核酸适体
抗体
大小
5-15 KD1.2.2 核酸的种类（1）结构限制性（structurally constrained library）：将随机碱基置于能形成特 定二级结构（如发夹、G-四面体或假结等二级结构）的固定序列中。当知道靶标分 子优先结合某种特定的结构蛋白时或增加所选择的核酸适体的稳
（2）反向筛选（counter selection）是为了获得专一性更强的核酸适体而提出 的，主要是通过一些方法去除能结合与靶分子类似物质的核酸序列。这种方法 首先在筛选茶碱核酸适体的实验中使用。
Jenison等人利用与茶碱结构仅差一个甲基的咖啡因作为反向靶标对茶碱进行筛 选，获得了只结合茶碱而与咖啡基因组中某段感兴趣的核酸序列（50-500 碱基）两端引入用于PCR扩增的固定序列。
1.2.3 核酸适体靶分子的多样性
简 Zn2+ 单 Ni2+ 体 系 金属离子
有机染料
药物小分子 肽和蛋白质
复 杂 体 系
病毒
寄生虫
细胞
组织
1.2.2 提高核酸适体选择性的筛选方法
~ 150 KD
制备方法
化学合成
体内产生
靶分子范围 离子到组织 免疫原性分子
批次差异
小或没有
大
化学修饰
容易
受限制
免疫原性
No or Low
有
Clin. Chem., 1999, 45：1628-1650; Biolmol. Eng., 2007, 24: 381-403
1.1.2 核酸适体与靶标的作用基础
核酸适配体的简单介绍
研究背景
肿瘤的检测，成像和靶向治疗的关键是发展特异性的分子探针
特异性 分子探针
小分子 多肽 单克隆抗体
核酸适体
定义：核酸适配体是从DNA/RNA中筛选得到的、能够 高亲和性和高特异性地与靶标结合的单链寡核苷酸，由于 它折叠后形成的特定的三维结构能与生物靶标如蛋白质结 合，因此近年来迅速发展成为在疾病基础研究及诊断治疗 中具有广泛应用前景的新技术。核酸构建 筛选 分离和回收 聚合酶链扩增
分离：对蛋白质靶
分子来说，通常利
用硝酸纤维素膜过
滤法、变性凝胶电
泳法、亲和层析、
毛细管电泳等方法
SELEX技术路线图
来分离与蛋白结合
的寡核苷酸。
Annual Review of Medicine, 2005, 56:作用、氢键、静电和疏水等作用协同作用
1.2 指数富集配体系统进化技术（SELEX）
—Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment
SELEX本质上是体外模拟自然进化的一种定 向进化，通过重复将核酸序列与靶分子 相互作用、洗脱和聚合酶链扩增与靶分子结 合的核酸序列三个基本步骤，在很短的时间 内得到符合特列
固定序列碱基数目：18-21 nt；随机碱基数目：30-60 n论上，任何物质都能成为核酸适体的筛选靶标
在筛选实验中，DNA和RNA核酸适体在亲和性和特异性方面并没有差异，但是在其 它方面各具有各自的优点。如RNA核酸适体具有容易获得和在细胞内表达等）负筛选(negative selection)是指通过一定方法排除固定靶标所用的基质对 筛选过程的干扰，使获得的核酸适体仅针对目标分子。
这种方法最早是由Ellington研究小组[41]在针对有机染合的DNA比例 小于这一结果充分证明了负筛选在库中的随机序列是由已知序列（如已知的 核酸适体）组成，但在合成这个区域的每个碱基时，通过加入1-33%的其它三种核 苷酸，合成在一定程度能与靶标分子作用的不同突变序列，还可以用来 优化已知的核酸适体序列和确定它与靶分子相互作用的核心碱基。
与目前在生物医学领域中广泛应用的抗体相比，核酸适配 体是一种全新的分子识别方法，它与靶标结合的特异性和 亲和力与抗体相当甚至更强，而且具有合成简单快速；适 用范围广，易于进行化学修饰和多功能化，组织穿透性好， 有望直接运用于活体分子成像和药物传输；且其具有免疫 原性小、稳定性好等优点。与反义核酸、干扰RNA等基因 药物相比，核酸适配体作为药物或靶向药物载体具有更为 普遍的适用性