[转载]SELEX技术

2011-07-03 10:44 · tqan

适配分子技术是一种最近发展起来的体外筛选和放大技术,通过该技术可得到一段能与各种目标分子高亲和、高特异结合的核酸序列,该核酸序列称之为适配分子(aptamer)。Aptamer一词来源于拉丁文Aptus,意即适合的意思(fit),而这种体外的筛选技术称之为指数级富集的配体系统进化

适配分子技术是一种最近发展起来的体外筛选和放大技术,通过该技术可得到一段能与各种目标分子高亲和、高特异结合的核酸序列,该核酸序 列称之为适配分子(aptamer)。Aptamer一词来源于拉丁文Aptus,意即适合的意思(fit),而这种体外的筛选技术称之为指数级富集的配 体系统进化技术即SELEX(systematic evolution of ligands by exponential enrichment)。简言之,Aptamer就是一段核酸序列,它能与相应的配体高特异性和高亲合力地结合。从原始文库中筛选配体相应的 Aptamer的技术称为SELEX技术。Aptamer具有广泛的实用性,它能用于任何以分子识别为基础的诊断和治疗。

1.原理

从大量的随机序列的寡核苷酸库中鉴定出一种数量很少的具有独特性质的核酸序列的 SELEX方法是由Tuerk和Ellington等在1990年建立的,它是一种通过体外反复选择和放大从巨大的核苷酸组合库中筛选特定核苷酸序列的方法。

SELEX过程中,首先是用组合化学合成DNA的方法合成随机序列的核酸库,库中的每一个成员是一个线形的寡聚物,库中分子多样性的程度取决于随机寡核苷酸的长度。理论上讲,一个40个碱基的随机序列可有1.2 X 1024种核苷酸排列顺序(440 =1.2 X 1024)。实际上1μmol的固相DNA合成的随机组合核苷酸库的序列多样性仅限制于1014—1015种,能否找出与靶分子相互作用的稀有序列,很大程度上取决于组合库的多样性,在所有种类的组合随机序列库中寡核苷酸库的多样性最为丰富。

筛选过程中,首先在一定的温度下将寡核苷酸随机序列库与靶分子共同孵育于 特定的缓冲液中,组合库中的极少数分子将与靶分子结合,然后用物理的方法将结合的分子与末结合的分子分离开来。标准的方法是将蛋白靶分子固定于硝酸纤维素 滤膜上,而其他小的靶分子则固定于固相载体的表面,因此,未与靶分子结合的序列很容易被冲洗掉,而与靶分子结合的序列将被分离出来并放大以获得一个序列 库,再对这一序列库进行下一轮的筛选和放大。每一轮选择的严格性决定了高亲和结合子的增强效率。高亲和结合的增强进度可通过与靶分子的结合分析来确定。经 过数轮的筛选和放大后,一旦达到亲和饱和,所得到的增强库即被克隆和测序,以获得筛选库中每一个序列的信息。单个序列的特异性将根据其与靶分子结合的能力 做进一步的定性。通常情况下,大多数序列 (90%以上)与靶分子有很好的高选择性亲和力。通过SELEX筛选出来的Aptamer是含有一段固定序列的全长序列,这个固定序列主要用于协助放大过 程,在放大过程中起到引物的作用。这种全长Aptamer一般由70--80个碱基构成,通过剪切可去除那些对结合靶分予无关紧要的片段,或折叠成最利于 结合靶分子的结构。剪切 Aptamer主要是用于确定最小的靶分子结合域,目前已得到数种少于40个核苷酸的功能性Aptamer。在大多数情况下,Aptamer的固定片段主 要用于放大,而对Aptamer的功能(即识别功能)无关紧要,因此可以去除该段的固定片段。现已发现了一种无须固定引物序列的SELEX方法,从而筛选 出较短的Aptamer。

SELEX技术之所以能够建立,是由于形成寡 核苷酸的碱基之间的相互作用往往形成许多空间结构,如发卡(hairpin)、假结(pseudoknot)或凸环(bulge)等,这些结构非常容易与 各类靶分子结合。一个足够容量的寡核苷酸库包容了所有可能的立体结构,在与靶分子结合时,几乎不需要失去"墒"就能存在一个适配的结构,因此有可能从中筛 到任何种类的靶分子的高亲和力配基。

2.实验流程

3.特点

谈到适配分子就不能不谈到抗体,抗体在基于分子识别的许多领域都作出了巨大贡献。从20世纪50年代开始抗体被用于检测分析,到20世纪70年 代由于多克隆抗血清的发展,抗体分析技术被广泛应用于各个领域,由于需要大量的抗体,多克隆抗体制备技术难以满足需要,单克隆技术的发展使大规模制备独特 型抗体成为可能。由于抗体具有巨大的实用价值,单克隆技术被广泛用于世界的每一个角落。单克隆抗体技术具有很多优点,如能从培养的细胞中制备大量的抗体;抗 体能被容易地优化和提纯,目前单克隆抗体已被广泛用于各种非同位素分析。今天己经能在连续培养的过程中选择出产生单克隆的细胞克隆。理论上讲,产生抗体的 细胞能无限的产生抗体。另一方面,所用抗原不必纯化。单克隆技术的发展给免疫学带来了巨大革命,并大大扩展了抗体的应用范围,但抗体在某些方面仍有不足之 处。

3.1、不足

3.1.1、抗体的第一步需要用抗原免疫动物。某些分子,如毒素由于动物不能耐受而无法制备抗体,此外一些固有的免疫原性较差的分子也很难制备抗体。

3.1.2、杂交瘤细胞只限于大鼠和小鼠,这限制了单克隆抗体在治疗中的应用,非人源性抗体主要用于体外诊断,抗异源性抗抗体(人体中识别非人源性抗体的抗体)能使检测出现假阳性,此外风湿因子和自身抗体亦影响免疫分析。

3.1.3、制备单克隆抗体是一项实验技巧很强的技术,从大量的克隆中筛选稀有抗体将是一件十分繁杂而昂贵的事情。

3.1.4、筛选出来的克隆细胞在保存过程中有可能因意外而丢失或发生细胞死亡。一般在制备单克隆抗体过程中,将杂交瘤细胞种植于动物腹膜腔,然后从腹水中纯化抗体。但有些杂交瘤细胞很难在体内生长,从而影响了抗体的制备。

3.1.5、有些抗体批与批之间存在差异,因此在免疫分析中需要排除这些影响。

3.1.6、抗体是在体内产生的,而免疫分析是在体外完成的,体外抗体识别抗原是处于非生理状态。

3.1.7、抗体与抗原相互作用的靶分子不能根据需要进行调整。     3.1.8、抗体对温度十分敏感,易发生不可逆变性,抗体的储存期限也有限。

虽然杂交瘤抗体有以上缺陷,然而人们也找到了各种克服的办法,包括人源性抗体的制备技术、噬菌体肽库技术、核糖体技术、抗体工程、体外免疫等。

另一方面,人们可以考虑另一类完全不同的分子--Aptamer,它可以弥补抗体的不足。Aptamer具有以下优点。

3.2、优点

3.2.l、Aptamer的确定是通过体外过程完成的,它不依赖于细胞或动物,也不在体内,其特性可根据需要改变。

3.2.2、确定Aptamer的选择条件可以控制,以获得具有体外诊断所需特性的Aptamer,例如,可以制备出在非生理溶液中和非生理温度下结合靶分子的Aptamer同样Aptamer与靶分子结合的动力学参数也可以改变。

3.2.3、由于不需要免疫动物和细胞,毒素和没有免疫源性的分子也可产生高亲和力的Aptamer。

3.2.4、Aptamer能用化学合成的方法制备,具有很高的精确性和重复性。在变性条件下能纯化得到很高的纯度。在制备Aptamer的过程中几乎没有批与批之间的差异。

3.2.5、标记分子如荧光素和生物素能标记到Aptamer的精确位置,在合成过程中亦可以衍生上去。

3.2.6、Aptamer能可逆变性。变性后的Aptamer能在数分钟之内复原,并能长期储存和在常温下运输。

影响SELEX技术的因素包括:文库的设计、靶蛋白的浓度、循环的次数、分离方法等。

4.应用

SELEX技术在基础医学研究中的应用、在药物筛选中的应用、在临床诊断中的应用等。

Aptamer在流式细胞分析中的应用、Aptamer在传感器中的应用、Aptamer在荧光偏振分析中的应用、Aptamer在双位点分析中的应用、Aptamer与分子灯塔的结合、Aptamer在毛细管电泳中的应用、Aptamer作为分子开关、Aptamer检测固定在膜上的蛋白质、Aptamer阵列研究蛋白组等。

SELEX技术的改进与发展:导向SELEX技术、复合靶分子SELEX技术、基因组SELEX技术等。

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