生物化学-核酸适配体及其在检测领域中的应用

核酸适配体及其在检测领域中的应用

（学号姓名）

南京师范大学化学与材料科学学院

摘要：核酸适配体是一段DNA或者RNA序列，是利用体外筛选技术——指数级富集配体系统进化技术从核酸分子文库中得到的寡核苷酸片段，该片段能与目标分子作用产生特殊的构象形式，对目标分子具有高度亲和力和专一的识别能力。核酸适配体通常由化学合成，不依靠生物；价格便宜；且易于保存；而且标记后的核酸适配体一般与目标分子的结合力不会改变。因此基于核酸适配体的生化检测技术到人们极大的关注[1]。本文基于对核酸适配体的基本了解，通过对SELEX技术及对核酸适配体在检测领域中的研究进展的了解做了简单的概述。

关键词：核酸适配体，检测

0 引言

核酸适配体是寡核苷酸DNA或RNA，长度一般为20-80个核苷酸，它对很广范围内的物质都具有极强的亲和性能和特异性能，这些物质如药物类、蛋白质类、碳水化合物、氨基酸、类脂、有机分子或者是无机分子类以及其它的小分子。核酸适配体的出现，使抗原抗体的反应发生了革命性的变化，它大大弥补了现有抗体的不足，也为传统免疫传感器发展开辟了一条新的道路。[2]

SELEX技术即指数级富集配基系统进化技术。利用该技术可以从随机单链核酸序列库中筛选出特异性与靶物质高度亲和的核酸适体(Aptamer)。自Tuerk 等首先运用此技术筛选到特异性吸附噬菌体T4DNA聚合酶和有机染料分子的特异寡核苷酸配基后，经过十几年的发展，SELEX技术已经成为一种重要的研究手段和工具。

1 发现核酸适配体的技术——SELEX技术

核酸适配体，是指一小段能与相应配体专一性紧密结合的寡核苷酸序列，一般由几十个核苷酸组成，可以是DNA也可以是RNA，最早是由Tuerk和Gold 发现的。1990年，Tuerk等提出了一种新的体外筛选和扩增核酸的方法，命名为

SELEX(指数级富集配体系统进化)，利用该方法他们成功地筛选出能够特异性结合T4DNA聚合酶的RNA寡核苷酸。但当时他们并没有对这种RNA寡核苷酸进行命名，只是称其为配基。核酸适配体这一概念是由Ellington和Szostak提出的。同年，Ellington等同样利用SELEX技术成功筛选出了能够与汽巴克隆蓝、活性蓝4发生特异性结合的RNA，命名为aptamer(适配体)，它来源于拉丁

语aptus，意思为“合适”。两年后，他们再次利用SELEX技术筛选到了一种单链DNA适配体。从以上开创性的工作来看，核酸适配体的发现在于SELEX技术的提出。[3]

SELEX技术利用大容量的随机寡核苷酸文库与靶分子的相互作用，从中筛选出与靶分子特异结合的寡核苷酸并结合体外PCR扩增技术，使其得到指数级富集。如此循环数轮最终进化成为高亲和力和高特异性的寡核苷酸配体。SELEX 技术大致可分为以下几步：建库；筛选、分离、扩增；适配子的修饰。自1990年Tuerk和Gold首次利用该技术成功地从随机RNA文库中筛选出与噬菌体T4DNA 聚合酶高特异性和高亲和力结合的寡核苷酸配基以来，已成功应用于许多靶分子的筛选，包括金属离子、有机染料、药物、氨基酸、细胞因子、辅因子、氨基糖苷、抗生素、核苷酸和多肽等。[4]

近年来，随着一些改良SELEX体外筛选技术的不断出现和应用，如切换SELEX，加尾SELEX、CE-SELEX、FluMag-SELEX、微流体SELEX等，使得适配子筛选效率大大提高，极大地拓展了适配子技术在有害物质检测、新药研发、药物传递系统的设计、生物成像、临床治疗等领域的应用空间。其检测范围也由蛋白质、酶等大分子物质，扩展到毒素、金属离子、有机染料、农药等外源性小分子污染物。[5]

2 核酸适配体传感器

2.1电化学传感器

电化学传感器主要依靠氧化还原探针得失电子时产生的电信号来实现目标物的检测。核酸适配体能与多种目标物质高特异性、高选择性地结合，因此被广泛应用于生物传感器领域。当核酸适配体与目标物质发生特异性结合时，核酸适配体自身的构型会随之发生变化。研究者把核酸适配体应用为探针，开发了很多

基于核酸适配体的构型变化的电化学传感器，又称为E-AB（Electrochemical aptamer-based）传感器，与电化学检测方法的结合使之具备便携化、操作简单、成本低等特点，所以E-AB传感器提高了核酸适配体在传感器领域的应用。

将核酸适配体探针应用到E-DNA传感器的设想最早是在2003年的美国科学院院刊（PNAS）论文中提出，并于2005年在Plaxco 实验室实现。该传感器将一段能够特异性和凝血酶结合的DNA序列（即凝血酶核酸适配体）两端分别修饰一个巯基和一个亚甲基蓝基团，利用巯基和金之间的共价结合,将凝血酶核酸适配体组装到金电极表面。在待测样品中无凝血酶时，核酸适配体呈松散的单链状态，末端的亚甲基蓝基团处于一定程度的自由状态，有机会接触到金电极表面，继而发生有效的电子传递过程，此时可以检测到一定的法拉第电流信号；当有目标物质凝血酶存在的时候，核酸适配体和凝血酶特异性结合，核酸适配体构型发生变化，末端修饰的MB 基团和电极之间的距离发生变化，导致法拉第电流减小。利用这种信号电流的减小，可以灵敏检测到6.4nmol/L凝血酶，而且通过实验证明该探针不但可以重复利用，而且可以应用于血清样品的实际检测。这种传感策略有很多类似的应用，例如Radi等利用类似策略成功检测了0.1mmol/L K+；Lai 等使用E-AB策略成功检测了50pmol/L血小板源性生长因子。[6]根据是否采用标记物（酶、纳米粒子和氧化还原分子）对适配体进行修饰以产生检测信号，电化学核酸适配体传感器可分为标记型和非标记型。标记型核酸适配体传感器的标记过程复杂、费用高，而且会在一定程度上影响适配体与目标分子的结合亲和力。因此，构建简单、价廉和灵敏的非标记型电化学核酸适配体传感器具有重要意义。

聚硫堇具有良好的氧化还原可逆性和稳定性，近年来被用于免疫传感器、酶传感器、DNA传感器和化学传感器中作为优异的电子介体。Ahammad等利用聚硫堇对邻苯二酚和对苯二酚的催化氧化作用构建了简单、高灵敏度同时测定二者的化学传感器。金纳米粒子(GNPs)具有比表面积大、吸附能力强和生物相容性好等优点，可将生物分子有效地固定在其表面，用于构建生物传感器可提高灵敏度和稳定性，已在电化学生物传感器中得到广泛的应用。

用电聚合法制备了聚硫堇氧化还原电化学探针，以金纳米粒子为固定核酸适配体的载体构建了非标记型核酸适配体传感器。用电化学阻抗谱对传感器的组装