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你所不知道的核酸:足以取代抗體搜尋功能的「適體」是什麼?有什麼作用?

活躍星系核_96
・2019/05/09 ・3182字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 595 ・九年級

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什麼是適體?

提到 DNA 與 RNA,大家腦海裡第一個浮現出來的就是生物課的內容吧:

DNA 以具備 ATCG 四種不同含氮鹼基的核苷酸來記載生物遺傳資訊,而 RNA 負責翻譯這些遺傳資訊,進而製造生物體的一切構築原料。

但是 DNA 和 RNA 就只有像字典和翻譯機的功能嗎?如果你把他們想像的這麼簡單,那可是大錯特錯喔。他們可還有精確搜尋出目標的偵探能力呢!

你腦海中浮現的 DNA 是不是長這樣。圖/ Pennsylvania State University

首先,在你認知中的核酸構型長怎樣呢?所聯想到的大概就是那看起來神秘又唯美的雙股螺旋狀。因為許多影視作品的推廣,在大眾的印象中,DNA 的形象和雙股螺旋已經合而為一了。的確,配對後的 DNA 序列經 X光晶體分析是雙股螺旋狀,這在當時還是轟動世人的重要發現呢!

但那只是 DNA 做為遺傳物質時的一種經典樣貌。事實上,單股核酸在不同序列的組合下也是有千變萬化的構型。就如同人體內的 RNA 就根據不同的功能而有著不同構型,甚至也有些特殊構型具備酵素的相似功能,被稱為核酶(ribozyme)

而不同的核酸序列能產生不同構型,這個特性是不是就跟我們熟知的蛋白質一樣呢?沒錯,蛋白質也透過不同胺基酸組合,產生許多具功能性的構型,並成為所有生物體內生化反應進行的必要推手。於是就有些人想到了,既然如此,我們何不使用核酸的這個特性發展成工具使用呢?

特定構型的適體可以與目標物專一性結合。圖/ Hongguang Sun

在 1990 年,Szostak 及 Gold 實驗團隊便分別發展出了類似的篩選技術,可在體外篩選、分離並放大特定的 RNA 序列片段。這些序列片段構型可以如探針一樣,專一性地辨識目標物。而這些具辨識能力的 RNA 片段就被 Szostak 實驗室命名為 aptamer,取自拉丁文 aptus,有適合的意思。由 Gold 實驗室提出的篩選方式則被命名為 systematic evolution of ligands by exponential enrichment,可譯為配體指數增長系統進化技術,也就是後人泛稱的SELEX

在兩間實驗室發現了 RNA 具備的特殊能力後不久,DNA 也被發現可做為適體的原料。在後續20多年的研究發展更證實了適體在生物檢測與醫療領域上的諸多可能性,也陸續吸引了許多實驗室繼續投入研究。

適體V.S. 抗體

說到適體能專一性辨識目標分子的能力,這聽起來是不是很熟悉?

沒錯,適體跟抗體都能經適當設計後,成為生物檢測的工具。但是抗體的發現早了適體將近百年,無數的研發成果讓抗體早已成為生物檢測市場上的老大哥了。那做為後起之秀的適體,究竟有什麼優勢之處能與抗體一較高下呢?不妨讓我們一同瞧瞧。

  1. 適體對於給定的任何目標特徵都有高度的特異度與親和力,範圍從小分子到較大的蛋白質,甚至連整顆活細胞都在他的守備範圍內。使適體具有發展成廣範圍生物感測工具的潛力。而抗體只能辨識具有免疫活性的分子,泛用度上就有相當大的差距。
  2. 適體被篩選出來後,其後續生產原料來自商業來源,可以固相合成技術在數小時內批量生產,並同時具有高重現度與純度。反觀一般抗體藥物需要由哺乳動物細胞培養,且從生產製造到純化需耗費數天至數月。時間成本上抗體輸了一大截。
  3. 與蛋白質構成的抗體或酵素相比,DNA構成的適體具有高度化學穩定性,不易因酸鹼熱等環境因子而破壞活性。但是未經過適當化學修飾的適體在血液中將面臨核酸酶的破壞,未能如抗體一般穩定存在。
  4. 適體在與目標結合後,構型會有顯著的變化。使它可以被設計成更為靈活的生物檢測器,並有高度的偵測特異度與選擇性。

既便宜又多用途,使適體成為十分有潛力的發展目標。然而適體也有其弱點:雖然有好的化學穩定性,但由於其小分子量使其生物穩定性較差。體內半衰期短限制了適體在臨床應用上的發展。且傳統的 SELEX技術無法預測適體和目標分子結合的位置,與結合後的具體作用功能。因此短時間內,適體還不能動搖已經有穩健根本的抗體檢測市場,但相信假以時日,這些技術層面的障礙也將被孜孜不倦的研發人員們突破。

適體與抗體的各項比較。表/ 修改自DOIT 經濟部技術處

適體的誕生之路—SELEX

介紹完了適體,那麼回頭來看看SELEX。究竟是經過怎樣的流程,能讓一般的核酸分子大翻身變成大家眼中生物檢測界的明日之星呢?

SELEX可大致分為三個流程:

篩選出可結合目標的配體序列:

目標會與核酸序列庫內各種隨機的單鏈核酸序列作用。藉以找出能與目標物結合的適體。在這個階段,平均可以從 10到 1013 的隨機序列中找到一條能結合上目標物。

分離出有結合到目標物的適體:

在第一個步驟後,將未結合上目標物的核酸分子分離,再將有結合的適體與目標物分離並收集起來。

放大適體數量:

收集完的那些適體分子,再進一步以聚合酶連鎖反應(PCR)的方式放大其數量。

透過重複這三個步驟的流程,並在每一次循環中,調整培養的時間、溶液的性質、目標分子的數量等方式,使篩選條件更加嚴苛。以篩選出真正具高度專一性與親和力的適體分子。

並且,做為保險機制,會在前期的某次循環中進行反向篩選,即以另一種跟目標物有相似處的不同物質進行篩選。而這次篩選出有結合的那些適體分子會被判定不及格,只留下沒結合上的適體分子。這個步驟的目的是要篩去那些雖然有親和力但是專一性不高的適體。

通過了如此層層關卡後篩出來的極少數核酸分子,才是真正符合我們要求的高品質適體。並進一步應用到生物檢測或其他用途。

以SELEX技術篩選適體。圖/ DOIT 經濟部技術處

適體在臨床與科學應用上有著許多抗體所沒有的優勢,雖然目前市場上適體的相關產品較為罕見,一方面因為過去SELEX的技術受到專利的保護,只有少數公司享有開發產品的權利;另一方面,適體要從實驗室跨足到商業應用也仍有許多問題需要克服。

相較已經熟為人知並有成熟體系的抗體,適體的產品仍舊較為弱勢。但期待隨著各項適體相關專利的解禁,更多的實驗室投入適體的改良與開發,未來適體能夠成為臨床與科研領域發展上的強力推手!

參考資料

  1. Shiping Song, Lihua Wang, Jiang Li, Chunhai Fan, Jianlong Zhao (2008). Aptamer-based biosensors. Elsevier. doi: 10.1016/j.trac.2007.12.004
  2. Subash Chandra Bose Gopinath (2007). Methods developed for SELEX. Analytical and Bioanalytical Chemistry.
  3. Regina Stoltenburg, Christine Reinemann, Beate Strehlitz (2007). SELEX—A (r)evolutionary method to generate high-affinity nucleic acid ligands. Elsevier. doi: 10.1016/j.bioeng.2007.06.001
  4. DOIT 經濟部技術處(2017)—產業技術評析 核酸適體(Apatamer)新藥研發商機

 

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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科學家創造出DNA第5個「字母」
陸子鈞
・2014/05/08 ・1129字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 588 ・九年級

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1.15179

超過半世紀以來,生物課本一定會提到DNA由四個「字母」組成:A、T、C、G,不過現在科學家成功將新的「字母」新增到細菌中,而且和「天然」DNA一樣,在實驗室中具有轉錄、轉譯的生物功能。

加州斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)的生物學家羅莫斯伯格(Floyd Romesberg)努力15年,終於創造出帶有人造DNA「字母」的細菌,他說:「我們現在有一個帶有更多遺傳訊息的活生生細菌」。相關的研究成果發表在這一期的《自然》期刊。

DNA的四個「字母」其實是四種不同的含氮鹼基(base):A-腺嘌呤(Adenine)、T-胸腺嘧啶(Thymine、G-鳥糞嘌呤(Guanine、C-胞嘧啶(Cytosine)。而且A與T配對,C與G配對,互補的兩股DNA就這樣編成完美的雙螺旋結構(如下圖)。要是能找到互補的兩種分子,並且像這四種鹼基一樣接在磷酸骨架上,理論上就能用新的「字母」寫出新的遺傳密碼。

dna-base

這個簡單的想法在華生、克里克發表DNA雙螺旋結構不久後,就有科學家提出。不過一直到了1989年,蘇黎世聯邦理工學院(Swiss Federal Institute of Technology)的賓勒(Steven Benner)才和研究團隊將修改後的胞嘧啶(C, Cytosine)植入活體細菌中,讓細菌得以複製帶有「新.胞嘧啶」的DNA。

然而羅莫斯伯格這次的研究成果,又比先前賓勒的「新.胞嘧啶」更稱得上是一個「新字」。研究團隊列出60種有望成為「新字母」的分子,從3600種配對中發現 d5SICS 和 dNaM 最有希望成功(如下圖),特別是這兩種分子又和既有的DNA複製 / 轉錄機制相容,在試管中能轉譯成RNA,也能夠複製。未命名-1

研究團隊讓這兩種分子合成在細菌質體DNA中,再將質體植入大腸桿菌(E. coli)。這段帶有「新字母」的DNA成功在細菌中複製還有轉錄,而且當細菌分裂時,還會帶著這段獨特的質體一起分裂。未來有可能找到更多能夠充當遺傳密碼「新字母」的分子,甚至整段DNA都不包含自然存在的A、T、C、G。

這項技術對遺傳工程來說,具有提高安全性的應用潛力。舉例來說,如果用來製藥的細菌使用人工「新字母」,那麼當細菌逃逸出實驗室,也會因為在自然界中得不到人造的「字母」,缺乏原料而無法複製繁殖。

羅莫斯伯格的研究團隊正在嘗試「寫出」更多胺基酸「單字」。目前已知的生物都是三個字母為一組「密碼子」(codons),轉錄/轉譯出胺基酸,有了新的「字母」,就有機會設計出能夠轉錄/轉譯更多胺基酸的生物。潛在的應用像是設計出精準毒殺癌細胞的胺基酸來治療癌症,或者具有螢光反應的胺基酸讓科學可以追蹤細胞。

 

參考資料:First life with ‘alien’ DNA. Nature News [07 May 2014]

研究文獻:Malyshev, D. A. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature13314 (2014).

陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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什麼是適體?

提到 DNA 與 RNA,大家腦海裡第一個浮現出來的就是生物課的內容吧:

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但是 DNA 和 RNA 就只有像字典和翻譯機的功能嗎?如果你把他們想像的這麼簡單,那可是大錯特錯喔。他們可還有精確搜尋出目標的偵探能力呢!

你腦海中浮現的 DNA 是不是長這樣。圖/ Pennsylvania State University

首先,在你認知中的核酸構型長怎樣呢?所聯想到的大概就是那看起來神秘又唯美的雙股螺旋狀。因為許多影視作品的推廣,在大眾的印象中,DNA 的形象和雙股螺旋已經合而為一了。的確,配對後的 DNA 序列經 X光晶體分析是雙股螺旋狀,這在當時還是轟動世人的重要發現呢!

但那只是 DNA 做為遺傳物質時的一種經典樣貌。事實上,單股核酸在不同序列的組合下也是有千變萬化的構型。就如同人體內的 RNA 就根據不同的功能而有著不同構型,甚至也有些特殊構型具備酵素的相似功能,被稱為核酶(ribozyme)

而不同的核酸序列能產生不同構型,這個特性是不是就跟我們熟知的蛋白質一樣呢?沒錯,蛋白質也透過不同胺基酸組合,產生許多具功能性的構型,並成為所有生物體內生化反應進行的必要推手。於是就有些人想到了,既然如此,我們何不使用核酸的這個特性發展成工具使用呢?

特定構型的適體可以與目標物專一性結合。圖/ Hongguang Sun

在 1990 年,Szostak 及 Gold 實驗團隊便分別發展出了類似的篩選技術,可在體外篩選、分離並放大特定的 RNA 序列片段。這些序列片段構型可以如探針一樣,專一性地辨識目標物。而這些具辨識能力的 RNA 片段就被 Szostak 實驗室命名為 aptamer,取自拉丁文 aptus,有適合的意思。由 Gold 實驗室提出的篩選方式則被命名為 systematic evolution of ligands by exponential enrichment,可譯為配體指數增長系統進化技術,也就是後人泛稱的SELEX

在兩間實驗室發現了 RNA 具備的特殊能力後不久,DNA 也被發現可做為適體的原料。在後續20多年的研究發展更證實了適體在生物檢測與醫療領域上的諸多可能性,也陸續吸引了許多實驗室繼續投入研究。

適體V.S. 抗體

說到適體能專一性辨識目標分子的能力,這聽起來是不是很熟悉?

沒錯,適體跟抗體都能經適當設計後,成為生物檢測的工具。但是抗體的發現早了適體將近百年,無數的研發成果讓抗體早已成為生物檢測市場上的老大哥了。那做為後起之秀的適體,究竟有什麼優勢之處能與抗體一較高下呢?不妨讓我們一同瞧瞧。

  1. 適體對於給定的任何目標特徵都有高度的特異度與親和力,範圍從小分子到較大的蛋白質,甚至連整顆活細胞都在他的守備範圍內。使適體具有發展成廣範圍生物感測工具的潛力。而抗體只能辨識具有免疫活性的分子,泛用度上就有相當大的差距。
  2. 適體被篩選出來後,其後續生產原料來自商業來源,可以固相合成技術在數小時內批量生產,並同時具有高重現度與純度。反觀一般抗體藥物需要由哺乳動物細胞培養,且從生產製造到純化需耗費數天至數月。時間成本上抗體輸了一大截。
  3. 與蛋白質構成的抗體或酵素相比,DNA構成的適體具有高度化學穩定性,不易因酸鹼熱等環境因子而破壞活性。但是未經過適當化學修飾的適體在血液中將面臨核酸酶的破壞,未能如抗體一般穩定存在。
  4. 適體在與目標結合後,構型會有顯著的變化。使它可以被設計成更為靈活的生物檢測器,並有高度的偵測特異度與選擇性。

既便宜又多用途,使適體成為十分有潛力的發展目標。然而適體也有其弱點:雖然有好的化學穩定性,但由於其小分子量使其生物穩定性較差。體內半衰期短限制了適體在臨床應用上的發展。且傳統的 SELEX技術無法預測適體和目標分子結合的位置,與結合後的具體作用功能。因此短時間內,適體還不能動搖已經有穩健根本的抗體檢測市場,但相信假以時日,這些技術層面的障礙也將被孜孜不倦的研發人員們突破。

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SELEX可大致分為三個流程:

篩選出可結合目標的配體序列:

目標會與核酸序列庫內各種隨機的單鏈核酸序列作用。藉以找出能與目標物結合的適體。在這個階段,平均可以從 10到 1013 的隨機序列中找到一條能結合上目標物。

分離出有結合到目標物的適體:

在第一個步驟後,將未結合上目標物的核酸分子分離,再將有結合的適體與目標物分離並收集起來。

放大適體數量:

收集完的那些適體分子,再進一步以聚合酶連鎖反應(PCR)的方式放大其數量。

透過重複這三個步驟的流程,並在每一次循環中,調整培養的時間、溶液的性質、目標分子的數量等方式,使篩選條件更加嚴苛。以篩選出真正具高度專一性與親和力的適體分子。

並且,做為保險機制,會在前期的某次循環中進行反向篩選,即以另一種跟目標物有相似處的不同物質進行篩選。而這次篩選出有結合的那些適體分子會被判定不及格,只留下沒結合上的適體分子。這個步驟的目的是要篩去那些雖然有親和力但是專一性不高的適體。

通過了如此層層關卡後篩出來的極少數核酸分子,才是真正符合我們要求的高品質適體。並進一步應用到生物檢測或其他用途。

以SELEX技術篩選適體。圖/ DOIT 經濟部技術處

適體在臨床與科學應用上有著許多抗體所沒有的優勢,雖然目前市場上適體的相關產品較為罕見,一方面因為過去SELEX的技術受到專利的保護,只有少數公司享有開發產品的權利;另一方面,適體要從實驗室跨足到商業應用也仍有許多問題需要克服。

相較已經熟為人知並有成熟體系的抗體,適體的產品仍舊較為弱勢。但期待隨著各項適體相關專利的解禁,更多的實驗室投入適體的改良與開發,未來適體能夠成為臨床與科研領域發展上的強力推手!

參考資料

  1. Shiping Song, Lihua Wang, Jiang Li, Chunhai Fan, Jianlong Zhao (2008). Aptamer-based biosensors. Elsevier. doi: 10.1016/j.trac.2007.12.004
  2. Subash Chandra Bose Gopinath (2007). Methods developed for SELEX. Analytical and Bioanalytical Chemistry.
  3. Regina Stoltenburg, Christine Reinemann, Beate Strehlitz (2007). SELEX—A (r)evolutionary method to generate high-affinity nucleic acid ligands. Elsevier. doi: 10.1016/j.bioeng.2007.06.001
  4. DOIT 經濟部技術處(2017)—產業技術評析 核酸適體(Apatamer)新藥研發商機

 

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懷男孩會改變妳的大腦
cleo
・2012/10/03 ・1059字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

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「懷孕中的大腦」有了新的定義,研究指出男性DNA(去氧核醣核酸)–可能是懷孕時間男寶寶遺留在母體內的–能夠永遠存在母親大腦裡。雖然這個外來DNA造成的生物影響尚未明確,研究也發現大腦裡有較多的男性DNA的女性,較不易患有阿茲海默症–據研究所說,男性DNA可能降低母親患有阿茲海默症的機率。

哺乳類懷孕期間,母體與胎兒互換DNA及細胞。早先的研究指出,胎兒的細胞能遺留於母體的血管及骨骼內,長達數十年之久,研究人員稱此現象為母胎微嵌合(fetal microchimerism)。研究指出,遺留在母體內的胎兒DNA對母體或許有壞的影響也有好的影響:藉由促使組織修復及增進免疫系統,使母體健康受惠–但也可能造成負面影響,如自體免疫(autoimmune reactions)。

其中一個問題就是,遺留下來的胎兒細胞是如何影響大腦的。研究人員指出母胎微嵌合發生於鼠類大腦裡,但尚未有資料顯示母胎微嵌合發生於人體。因此,弗雷德哈欽森癌症研究中心(華盛頓州,西雅圖)的自體免疫及風濕病學家J. Lee Nelson採集了五十九位,過世時為三十九至一零一歲的女性大腦解剖樣本。藉由測試Y染色體特有的基因發現,五十九位女性中,63%大腦中有男性DNA。(研究人員並沒有她們的懷孕資料)男性DNA分布於大腦不同部位中。

因有些研究指出懷孕的次數愈多,患得阿茲海默症的機率愈高,為找出阿茲海默症的跡象,此研究團隊也檢測了大腦,進而判定阿茲海默症是否與母胎微嵌合相關。五十九位女性中,有三十三位患有阿茲海默症–但研究結果與研究團隊所預計的大為不同,患有阿茲海默症的女性,腦中的男性DNA明顯少於二十六位未患病女性腦中的男性DNA。

然而,胎兒的男性DNA是否降低女性阿茲海默症患病率仍未明確。「對我來說,這表示母體大腦中的胎兒細胞能預防疾病。」紐約西奈山醫學院心臟科醫師Hina Chaudhry說道。

去年底發表在「Circulation Research 」網站上的一項研究中,Chaudhry與同事發現在鼠體內胎兒細胞移轉到母體心臟裡,分化成能夠作用的心臟細胞且加速受損心臟組織的修復。因此,Chaudhry說道,相似的情形可會能發生胎兒細胞移轉至大腦時。「我想這些細胞移轉到母親大腦裡,且分化成神經元。」

一項2010年發表在《Stem Cells and Development》上的研究指出,胎兒細胞能移轉至母鼠大腦裡,且生成神經元,Nelson說道。但她也說道,相似的情形是否也發生於人體上,目前仍不明確–而且要確切地提出證據,證明阿茲海默症與母胎微嵌合之間的關聯十分地困難。一部分是因他們沒有這些女性的懷孕資料。「 必須說,我們真的不知道。希望這樣的研究在未來能被完成,但是以人體為樣本做研究實在是太困難了。」

資料來源:Bearing Sons Can Alter Your Mind – ScienceNow [26 SEPTEMBER 2012]

cleo
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是個標準的文科生,最喜歡讀的卻是科學雜誌。一天可以問上十萬個為什麼。