抗体结构的启发：将任意核酸适配体转化为结构开关型核酸适配体

来源：X一MOL资讯

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

近年来，随着人民生活水平的不断提高，对环境污染、食品安全和医疗健康的关注日益增加，急需价格低廉、性能稳定的生化检测类产品来满足这一需求。目前市场上的这类产品大多使用抗体做为特异性识别原件。但抗体具有价格昂贵、批次与批次间差异大、热稳定性差等缺点，目前我国90%以上的抗体依靠进口。

核酸适配体（aptamer）是通过体外筛选得到的，能够与多种类型的靶标进行高亲和力和特异性结合的寡核苷酸序列。相比抗体，具有化学合成获得、价格低廉、稳定性好、容易化学修饰、没有免疫原性等众多优势，在药物释放、靶向治疗、疾病诊断、食品安全和环境污染物检测等众多领域有着广泛的应用前景。结构开关型核酸适配体（SSA）是与靶标结合后能够产生较大结构变化的一类核酸适配体。这种结构变化可以很方便地转化为各种光学或者电学信号，是目前生物传感器设计中最受欢迎的特异性识别探针。然而，通过体外筛选获得的核酸适配体往往不是SSA，而且目前报道的SSA的数量非常少。SSA与靶标结合前后的结构变化形式多样，不具有统一性。这些问题严重限制了核酸适配体生物传感器的通用性和在实际应用中的推广。

近日，首都师范大学娄新徽团队受到抗体统一结构的启发，成功地解决了上述难题。报道了一种将任意核酸适配体转化为SSA的简单方法，而且所有SSA与靶标结合后都具有统一的结构变化形式。该团队把核酸适配体与G-四链体（G4）结构进行了组合，将核酸适配体序列插入到裂分为两部分的G4序列的中间，从而极其方便地将任意核酸适配体转化为结构开关型核酸适配体（G4-SSA）。在没有与靶标结合时，G4序列折叠成平行G4结构，而靶标与核酸适配体的结合，破坏了G4结构。

G4-SSA与抗体具有很多类似的特征：（1）G4-SSA和抗体均具有统一的结构：平行G4结构和Y型结构。（2）G4-SSA和抗体均含有恒定结构域（G4和Fc）和可变结构域（核酸适配体和Fab）。恒定结构域起到稳定整体结构的作用，而可变结构域负责对靶标的特异性识别。（3）G4-SSA和抗体的恒定结构域（G4和Fc）均负责靶标与可变结构域结合后的信号传导，而且信号传导的方式都是通过结构变化。

该团队利用平行G4结构具有过氧化物酶的催化活性，G4-SSA与靶标结合后，平行G4结构被破坏，催化活性降低的性质，成功实现了对Hg2+、凝血酶、磺胺二甲氧嘧啶（SDM）、可卡因和17β-雌二醇多种类型靶标的特异性比色检测，同时利用圆二色谱也对靶标引入前后所造成G4-SSA的构象变化进行了验证。利用平行G4结构可用与硫磺素（ThT）结合大幅提高其荧光强度，G4-SSA与靶标结合后，平行G4结构被破坏，荧光强度降低的性质，成功实现了对凝血酶、SDM和可卡因的特异性荧光检测。这些实验结果充分证明了G4-SSA方法的通用性，不受靶标类型、结合亲和力的高低、核酸适配体长度或结构的限制，任意原始核酸适配体均可以设计成G4-SSA。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的作者是首都师范大学硕士研究生高华龙、赵家兴、黄旸、成肖、王朔和韩宇。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Universal Design of Structure-Switching Aptamers with Signal Reporting Functionality

Hualong Gao，Jiaoxing Zhao，Yang Huang，Xiao Cheng，Shuo Wang，Yu Han，Yi Xiao，Xinhui Lou

Anal. Chem., 2019, 91, 14514-14521, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b03368

娄新徽教授简介

娄新徽，博士，首都师范大学教授。2006年美国北卡罗莱纳州立大学博士，2006-2008年在美国加州大学，圣巴巴拉分校从事博士后研究，2008-2010年中科院上海微系统与信息技术研究所，2010年7月起就职于首都师范大学。2009年入选上海市浦江人才，2018年入选北京市百千万人才。

研究领域是核酸适配体筛选技术及其生物传感器。目前发表期刊论文60多篇，他引2000多次，转让美国专利1项，授权中国发明专利14项。先后承担国家自然科学基金、北京市自然科学基金重点项目等二十多项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/18343

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：这项研究工作的目的是希望解决核酸适配体推广应用中所面临的一个重要的技术瓶颈。抗体之所以能够取得广泛的应用，一个重要优势是其具有统一的稳定的结构，这样的结构特征使得抗体的性能评价可以采用统一的方法，检测方法具有很好的通用性。但是核酸适配体结构上具有很大多样性，使得其性能评价方法和基于核酸适配体的检测方法都做不到标准化。做不到标准化的技术很难实现产业化推广。具体而言，这项研究工作的目的是解决结构开关型核酸适配体数量少，体外筛选困难，而且靶标结合所引起的结构变化又缺乏统一性这三个问题。目前报道的基于核酸适配体的传感器相当大的一部分都是基于结构开关型核酸适配体来设计的，上述这三个问题不解决，很多传感器不可能得到推广使用。

为了解决这些问题，我们认真分析了的抗体结构。抗体具有统一的稳定的结构，都包括负责结构稳定的恒定结构域和负责靶标特异性识别的可变结构域。因此我们想到可以在现有的核酸适配体上添加恒定结构域来稳定核酸适配体的结构。基于我们前期的研究数据，我们选择了G4结构，该结构具有很多优点，比如结构稳定性、结构变化可以方便地转化为可检测的光学或电学信号。特别是我们发现其结构稳定性与连续G之间的DNA链的长度有着灵敏的对应关系。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项工作中最大的挑战是G4-SSA设计思路的提出和选择合适的G4恒定区域。核酸适配体是一个具有高度交叉学科性的研究领域，目前从事该领域研究的多为分析化学领域的研究人员，要解决核酸适配体领域所面临的许多技术问题需要拓展知识面，加强与其它领域科研和技术人员的合作与沟通。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？

A：该研究成果解决了核酸适配体结构不统一的问题，可以将任意核酸适配体，无论靶标类型、核酸适配体长度、结构、与靶标的亲和力大小，均可以设计成具有统一结构的结构开关型核酸适配体。这项研究成果极大地拓展了现有各种核酸适配体传感器的通用性，为构建多靶标的检测平台奠定了重要基础。