生物分析中的核酸適配體

前言

非常高興擔(dān)任《生物分析中的核酸適配體》一書的主編。適配體最初時(shí)是作為治療藥物，但在很短幾年間就成為分析化學(xué)的熱點(diǎn)話題。在我們的實(shí)驗(yàn)室，我們正在努力實(shí)現(xiàn)可靠的化學(xué)和生物傳感器，適配體顯然成為其組裝的最佳組件，并作為具有特殊結(jié)合常數(shù)（微摩爾至皮摩爾范圍）的一類新配體出現(xiàn)在這些應(yīng)用中。適配體也進(jìn)入了許多其他分析應(yīng)用中，如基于分離科學(xué)的技術(shù)（各種色譜技術(shù)或毛細(xì)管電泳），用這些新化合物能夠解決許多令人振奮的新的分析問題。食品、空氣或飲用水中日益增多的污染物，能引起中毒、疾病或慢性疾病，這使我們需要能夠快速檢測復(fù)雜樣品，通常是對多組分進(jìn)行分析的系統(tǒng)。這種需求也存在于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，人們越來越需要多參數(shù)診斷系統(tǒng)，以檢測所有已知的和更多近來才發(fā)現(xiàn)的不同疾病的生物標(biāo)志物。遺憾的是，對醫(yī)生來說，與疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物要么是生理上微量存在的，要么是被病人血液和體液內(nèi)非特異性化合物嚴(yán)重污染的。因此，有效地檢測這些生物標(biāo)志物需要高靈敏以及特異性的識別元素。當(dāng)檢測系統(tǒng)需要一種生物分子識別體系時(shí)，基于抗體檢測的方法仍被認(rèn)為是環(huán)境、食品和臨床分析中的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，所建立的這些分析方法已經(jīng)表明能夠滿足所需的靈敏度和選擇性。然而，在多組分檢測和非常復(fù)雜的樣品分析中使用抗體面臨著一些限制，主要是源于蛋白受體的性質(zhì)和蛋白受體的合成。為了規(guī)避這些缺陷，尋找其他可作為替代的識別分子一直處在研究探索中。人們認(rèn)識到核酸，特別是RNA，可擁有穩(wěn)定的二級結(jié)構(gòu)，且它們易于合成和功能化修飾，這已開啟了適配體在一些領(lǐng)域的應(yīng)用之門。核酸的主要優(yōu)點(diǎn)是克服了使用動物或細(xì)胞系產(chǎn)生分子，而且，對非免疫原性的分子的抗體是很難生產(chǎn)的。相反，適配體是通過體外方法分離，不依賴于動物，它能針對任何靶物質(zhì)生產(chǎn)和開發(fā)一個(gè)體外組合庫。此外，體內(nèi)抗體的產(chǎn)生意味著動物免疫系統(tǒng)選擇了與抗體結(jié)合的靶蛋白的位點(diǎn)。體內(nèi)參數(shù)條件決定了抗體識別靶蛋白只能在生理?xiàng)l件下，這就限制了對抗體的功能化修飾和應(yīng)用的范圍。通過操控適配體的篩選過程，還可以得到結(jié)合于靶的特異區(qū)、具有特異性結(jié)合性質(zhì)和在不同結(jié)合條件下結(jié)合的適配體。篩選后，適配體可通過化學(xué)合成生產(chǎn)和進(jìn)行高度純化，消除使用抗體時(shí)發(fā)現(xiàn)的批次間的差異。通過化學(xué)合成，可進(jìn)行適配體的修飾，提高分子的穩(wěn)定性、親和性和特異性。通常為了獲得更高的親和性或特異性，可改變適配體靶復(fù)合物的動力學(xué)參數(shù)。適配體另一個(gè)優(yōu)于抗體的優(yōu)點(diǎn)是對較高溫度的穩(wěn)定性。其實(shí)，抗體是大蛋白分子，它對溫度敏感，會產(chǎn)生不可逆的變性。相反，適配體非常穩(wěn)定，變性后還能使其天然活性構(gòu)象復(fù)原。篩選過程本身具有放大步驟，賦予了適配體一些相對于其他“非天然”受體的優(yōu)點(diǎn)，如寡肽就不能在篩選過程中放大。因此，聚合酶鏈反應(yīng)再次顯示出其解決高選擇性配體的獲得問題的魔力。我們遺傳系的同事正在努力克服這個(gè)問題，將來我們將會很高興地從庫里獲得其他的具有不同性質(zhì)的優(yōu)良配體，像多肽或多糖，而不是寡核苷酸！現(xiàn)在，我們有一類新的生物傳感器——適配體傳感器，是用適配體作為高選擇性識別元件。作為受體分子，由于適配體針對分析物是均等合成的產(chǎn)生過程，使它們可以廣泛應(yīng)用于多樣化的目標(biāo)分析物陣列。在微納尺度平臺實(shí)現(xiàn)的適配體傳感器擁有很多潛在的優(yōu)勢，如:微型化的構(gòu)建；快速、靈敏和特異性的檢測；高通量；成本降低；最少的材料消耗。因此，微納適配體傳感器在廣泛的應(yīng)用范圍中極具吸引力，如蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、反恐和臨床診斷和治療。

內(nèi)容概要

書中介紹和總結(jié)了“適配體”的概念、產(chǎn)生方法以及近20年來在分析領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展動態(tài)和最新研究進(jìn)展。內(nèi)容涵蓋了適配體作為識別元素的主要研究方向和應(yīng)用范圍，具體包括電化學(xué)適配體傳感器、免疫標(biāo)記適配體傳感器、適配體酶傳感器、信號放大適配體傳感器、納米功能化適配體傳感器，以及毛細(xì)管電泳、液相色譜等分離技術(shù)與適配體的聯(lián)合檢測等，充分展現(xiàn)出核酸適配體在分析科學(xué)中的獨(dú)特優(yōu)勢和應(yīng)用價(jià)值。　　該書主題屬前沿科學(xué)領(lǐng)域，內(nèi)容深入淺出，原理和應(yīng)用相輔相成，代表了當(dāng)前國際上適配體研究的整體發(fā)展水平，對國內(nèi)化學(xué)界和生物醫(yī)學(xué)界相關(guān)研究和科學(xué)普及具有良好的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

作者簡介

Marco Mascini博士,意大利佛羅倫薩大學(xué)化學(xué)系全職分析化學(xué)教授，生物傳感技術(shù)的開創(chuàng)者之一。他的研究興趣與電化學(xué)傳感器、壓電傳感器和光學(xué)傳感器相關(guān)。他對這些裝置的產(chǎn)業(yè)化樣機(jī)在生物分析、藥學(xué)、環(huán)境及食品質(zhì)量和安全中的一些實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了開創(chuàng)性工作。部分裝置當(dāng)今已經(jīng)商業(yè)化。

書籍目錄

第一篇 導(dǎo)論　1 適配體:作為配體的所有理由　　1.1 引言2　　1.2 篩選的威力和適配體的精制　　1.3 化學(xué)組成決定適配體形狀　　1.4 適配體調(diào)控子　　1.5 適配體傳感器　　1.6 展望　　參考文獻(xiàn)　2 SELEX及其最新優(yōu)化　　2.1 引言　　2.2 適配體及其SELEX篩選　　2.3 SELEX技術(shù)的修飾　　2.4 適配體及其篩選技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與局限性　　2.5 正在開發(fā)上市的適配體的應(yīng)用　　2.6 展望　　參考文獻(xiàn)第二篇 生物傳感器　3 電化學(xué)適配體傳感器　　3.1 引言　　3.2 基于固定在電極表面的有氧化還原活性的適配體單分子層的電化學(xué)適配體傳感器　　3.3 基于酶放大的電化學(xué)適配體傳感器　　3.4 基于納米粒子放大的電化學(xué)適配體傳感器　　3.5 非標(biāo)記電化學(xué)適配體傳感器　　3.6 基于場效應(yīng)晶體管的適配體傳感器　　3.7 結(jié)論和展望　　參考文獻(xiàn)　4 適配體:自然和科技的融合　　4.1 引言　　4.2 核酸分子的特性　　4.3 核酸分子的電化學(xué)檢測　　4.4 細(xì)胞色素C與適配體結(jié)合　　4.5 DNA機(jī)器和適配體　　參考文獻(xiàn)　5 電化學(xué)指示劑和橫向剪切模式法檢測蛋白質(zhì)與適配體間相互作用　　5.1 引言　　5.2 適配體在固態(tài)基底上的固定　　5.3 適配體?配體間相互作用的檢測　　5.3.1 電化學(xué)方法　　5.3.2 聲學(xué)方法　　5.4 結(jié)論　　參考文獻(xiàn)　6適 配體酶亞基生物傳感器：酶的變構(gòu)控制中適配體的應(yīng)用　　6.1 適配體作為生物傳感器的分子識別元素　　6.1.1 適配體與抗體比較　　6.1.2 信號適配體　　6.2 均相傳感　　6.2.1 無需結(jié)合/釋放分離的生物傳感器　　6.2.2 適配體的酶亞基　　6.3 改良適配體的模擬進(jìn)化算法　　參考文獻(xiàn)　7 基于納米材料的非標(biāo)記適配體傳感器　　7.1 引言　　7.2 非標(biāo)記電化學(xué)適配體傳感器　　7.3 基于場效應(yīng)晶體管的適配體傳感器　　7.4 基于局域表面等離子共振的非標(biāo)記適配體傳感器　　7.5 面臨的挑戰(zhàn)和結(jié)束語　　參考文獻(xiàn)　8 基于適配體的生物分析檢測：放大策略　　8.1 引言　　8.2 基于功能化的適配體納米粒子的生物分析檢測　　8.3 基于適配體和量子點(diǎn)的檢測　　8.4 適配體酶和適配體機(jī)器　　8.5 基于適配體分析的聚合酶鏈反應(yīng)擴(kuò)增法　　8.6 結(jié)論　　參考文獻(xiàn)第三篇 應(yīng)用

章節(jié)摘錄

插圖：針對靶分子RNA而不是蛋白質(zhì)的RNA調(diào)控適配體也已開發(fā)出來。寡核苷酸非常不適合RNA結(jié)構(gòu)的識別（Toulm6等，2005）。折疊的RNA區(qū)域不能用于分子間互補(bǔ)序列的配對。因此，針對結(jié)構(gòu)區(qū)域的反義或siRNA表現(xiàn)出的結(jié)合效率有限（Kurreck，2006）。體外篩選可識別靶分子RNA區(qū)域的折疊狀態(tài)的適配體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。除了Watson-crick堿基配對，還確定了RNA三級結(jié)構(gòu)中的多種作用，這表明有可能利用環(huán)和凸起中的非配對核酸堿基與核酸適配體的分子間相互作用。其他的作用如堿基堆積也會對相互結(jié)合產(chǎn)生額外的貢獻(xiàn)。針對HIV一1的TAR RNA發(fā)夾的DNA和RNA適配體都已經(jīng)得到確定，不完整的發(fā)卡結(jié)構(gòu)參與了逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組轉(zhuǎn)錄的反式激活過程（Boiziau等，1999；Ducong6和Toulm6，1999）。這種結(jié)合是通過兩個(gè)分子的部分互補(bǔ)的頂環(huán)部分形成環(huán)一環(huán)螺旋而產(chǎn)生。其RNA適配體形成的一個(gè)六堿基對螺旋和一個(gè)臨界的非標(biāo)準(zhǔn)的GA堿基對靠近適配體的環(huán)表現(xiàn)出對吻合復(fù)合物（kissing complex）的形成起著關(guān)鍵作用（Ducong6等，2000），得到了高親和性（納摩爾級的Kd值）的適配體。特別是由RNA PolⅢ啟動子驅(qū)動的該適配體的原位表達(dá)與控制TAR條件下培養(yǎng)的Hela細(xì)胞的報(bào)告基因的表達(dá)相比減少了60％（Kolb等，2006）。與常規(guī)的RNA分子相比，經(jīng)化學(xué)修飾設(shè)計(jì)的適配體表現(xiàn)出對生物特性的提升（Darfeuille等，2002a，b，2004）。其他的RNA結(jié)構(gòu)也已經(jīng)成功被確定為適配體，特別是對肝炎c病毒RNA的核糖體內(nèi)部的進(jìn)入位點(diǎn)（Tallet-Lopez等，2003；Da Rocha-Gomes等，2004；。Kikuchi等，2005）。生產(chǎn)可隨意進(jìn)行激活或失活調(diào)控的可逆的調(diào)控子，并能產(chǎn)生相應(yīng)的信號，人們對此有極大的興趣。為此，可利用小分子適配體實(shí)現(xiàn)調(diào)控。當(dāng)插入mR-NA時(shí)，這些適配體模擬已確定的原核mRNA的核糖開關(guān)（Tuckel’和Break-er，2005）。對這些RNA分子，與配體結(jié)合相關(guān)的構(gòu)象變化可以引起翻譯的調(diào)控，最常見的是切換核糖體結(jié)合位點(diǎn)，使其從一個(gè)封閉狀態(tài)切換到自由狀態(tài)。RNA上可觸發(fā)構(gòu)象重排的配體結(jié)合位點(diǎn)在功能上相當(dāng)于一個(gè)適配體。因此，通過插入一個(gè)適配體序列在給定基因的5，_未翻譯區(qū)（UTR），來設(shè)計(jì)基因表達(dá)的人工調(diào)控子是非常吸引人的工作。適配體和靶分子間的作用會改變或穩(wěn)定RNA的結(jié)構(gòu)，但反過來可能會阻止核糖體的結(jié)合或阻止翻譯程序啟動。

編輯推薦

《生物分析中的核酸適配體》：核酸適配體具有一些優(yōu)于相應(yīng)抗體的優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)在不同學(xué)科具有巨大潛力而迅速崛起的新興領(lǐng)域?！渡锓治鲋械暮怂徇m配體》詳細(xì)介紹了核酸適配體在分析、醫(yī)學(xué)、環(huán)境和食品科學(xué)應(yīng)用中有關(guān)的生物分析技術(shù)和方法。內(nèi)容包括以下方面：核酸適配體、適配體靶分子和它們的一般應(yīng)用。適配體在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，特別是適配體傳感器和方法與相應(yīng)的免疫傳感器的比較。適配體診斷技術(shù)實(shí)例，如全細(xì)胞蛋白輪廓譜（蛋白質(zhì)組學(xué)）和疾病與健康狀態(tài)的醫(yī)學(xué)診斷區(qū)別。各分支領(lǐng)域領(lǐng)銜專家代表性研究的研究成果?！ご罅恳呀?jīng)證實(shí)的生物分析技術(shù)和方法及為進(jìn)一步研究所用的參考文獻(xiàn)。

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