周殿明,蔣健暉
(化學(xué)生物傳感與計量學(xué)國家重點實驗室,湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,湖南長沙410082)
RNA是除了DNA外的基因分子生物學(xué)的又一龐大家族,miRNA就是這個家族中的一個非常重要的成員。1993年,Lee等在線蟲(C.elegans)發(fā)現(xiàn)了第一個定時調(diào)控胚胎后期發(fā)育的基因lin-4[1],也就是第一個miRNA;同時發(fā)現(xiàn)它不編碼任何蛋白質(zhì),但是可以抑制Lin-14蛋白表達(dá),然而當(dāng)時的這個發(fā)現(xiàn)并未引起太多的關(guān)注。直到2000年,Reinhart等又在線蟲C.elegan中發(fā)現(xiàn)第二個miRNA-let-7[2],miRNA這一非編碼基因家族的重要成員才開始在人們的眼前逐漸清晰起來。
miRNA是一類約22個堿基左右的非編碼蛋白的RNA,通常在18~25個堿基之間,成熟的miRNA 5'端有一個磷酸基團(tuán),3'端是羥基。它主要通過信使RNA的直接剪切,或者間接抑制翻譯來實現(xiàn)基因調(diào)控作用。miRNA廣泛存在于各種真核生物中,它在生物體的產(chǎn)生過程如圖1所示。
首先攜帶miRNA信息的基因通過RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄生成較長的RNA,也就是通常所說的pri-miRNA,然后pri-miRNA會被一種叫做Drosha的RNA內(nèi)切酶Ⅲ剪切成60~70個堿基的含有莖環(huán)結(jié)構(gòu)的RNA,即pre-miRNA。隨后,premiRNA被載體蛋白Exportin-5從細(xì)胞核運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中。到了細(xì)胞質(zhì)以后,pre-miRNA會從載體蛋白中脫落下來,被一種叫做Dicer的RNA內(nèi)切酶Ⅲ最終剪切成成熟的miRNA。此時的miRNA是雙鏈的結(jié)構(gòu),其中5'端熱穩(wěn)定性較差的一條鏈將被特異性地整合到RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物(RISC)中,再與完全匹配的目標(biāo)信使RNA結(jié)合,或者通過誘導(dǎo)miRNA的降解,或者通過間接調(diào)節(jié)翻譯,從而實現(xiàn)蛋白質(zhì)表達(dá)的調(diào)控功能。
圖1 miRNA在細(xì)胞內(nèi)的產(chǎn)生過程及調(diào)控原理圖Fig.1 Schematic of miRNA production and regulation in cell
從上面可以看出,miRNA由于其特殊的調(diào)控功能,不僅對生物的生長、發(fā)育和凋亡有著重要的影響,而且還與各種疾病比如神經(jīng)疾病、血管疾病、腫瘤和免疫方面[3~5]的疾病有著密切的關(guān)系。因此miRNA的檢測,對于醫(yī)學(xué)、分子生物學(xué)都有著非常重要的意義。近年來已有大量的文章涉及了這方面的工作,該文就是基于此對于目前世界上各個研究小組關(guān)于miRNA檢測方法的研究進(jìn)展做了一個簡要的綜述。
印跡雜交技術(shù)(即nothern blotting)是最常用也是最早用于miRNA檢測的方法[6~9],主要原理是將標(biāo)記的與目標(biāo)miRNA互補(bǔ)的DNA探針雜交到硝酸纖維素膜上,然后顯影檢測。該方法雖然已成為miRNA檢測的金標(biāo)準(zhǔn),但是仍然存在很多問題,比如靈敏度低,費(fèi)時等。Zolta′n Havelda小組于2004年將通過引入鎖核酸(LNA)對該方法進(jìn)行了改進(jìn)[10],由于雜交效率得到改善,所以靈敏度提高了大約10倍。雖然如此,高靈敏度,高通量,特異性好的檢測技術(shù)仍然是個挑戰(zhàn)。
miRNA的陣列檢測技術(shù)主要是構(gòu)建含有與目標(biāo)miRNA互補(bǔ)的DNA的陣列,然后與目標(biāo)雜交,再通過各種各樣的信號檢測方法實現(xiàn)檢測目的。最常用的是通過聚合酶延伸的方法產(chǎn)生信號。2004年,Nelson等發(fā)展了一種名為基于陣列RNA引物介導(dǎo)的Klenow酶反應(yīng)(RAKE)的檢測技術(shù)[11](圖2),該技術(shù)將DNA探針的5'端固定于玻璃表面,探針的3'端是與目標(biāo)miRNA互補(bǔ)的序列,緊挨著互補(bǔ)序列的是三個胸腺嘧啶核苷酸殘基,因此當(dāng)目標(biāo)存在時,將被探針捕獲到基底表面,單鏈的探針可以通過外切酶I切除,此時加入生物素化的dATP和Klenow聚合酶可以延伸出生物素化的腺嘌呤堿基,再與染料標(biāo)記的親和素結(jié)合產(chǎn)生熒光信號。另外,依賴于Poly(A)聚合酶的延伸方法也被引入到miRNA的檢測,Shingara等[12](圖3)利用Poly(A)聚合酶以RNA為引物延伸出氨基修飾的尿嘧啶核苷酸,再利用染料與氨基修飾的尿嘧啶核苷酸交聯(lián),獲得熒光檢測信號。2006年,F(xiàn)ang等[13]同樣用Poly(A)聚合酶的延伸方法實現(xiàn)miRNA的檢測,不同的是延伸出的Poly(A)通過與Poly(T)修飾的納米金粒子結(jié)合做為信號獲得方式。
Liang等[14](圖4)采用了對miRNA直接修飾的方法實現(xiàn)對其檢測,將miRNA的3'端直接生物素修飾,然后再與親和素化的量子點結(jié)合,從而得到熒光信號。該陣列的檢測限可以達(dá)到0.4 fmol,檢測的動力學(xué)范圍為兩個數(shù)量級。
圖2 基于陣列RNA引物介導(dǎo)的Klenow酶反應(yīng)(RAKE)的檢測技術(shù)原理圖(RNA-primed,array-based Klenow enzyme(RAKE)assay)Fig.2 Schematic of RNA-primed,array-based Klenow enzyme assay(RAKE)
圖3 基于Poly(A)聚合酶延伸修飾堿基U的miRNA陣列檢測Fig.3 Schematic of miRNA microarray detection based on extension modified nucleotides U by Poly(A)
圖4 生物素化的miRNA通過量子點進(jìn)行陣列檢測原理圖Fig.4 Schematic of biotin modified miRNA profiling microarray detected with QD
DNA/RNA雜交體的特異性抗體被以一種新的標(biāo)記方式引入到miRNA的檢測中來,Hu等[15]構(gòu)建了一個傳感陣列,直接將未標(biāo)記的目標(biāo)miRNA與固定的DNA探針雜交,然后加入不依賴于序列信息的抗DNA/RNA雜交體的單克隆抗體,該抗體與染料標(biāo)記的二抗結(jié)合,或者與生物素標(biāo)記二抗和染料標(biāo)記的親和素反應(yīng),都可以得到檢測信號。
除了上述的陣列檢測平臺以外,還有很多這方面的報道,比如利用生物發(fā)光酶標(biāo)記的miRNA與待測miRNA競爭雜交到固定化的DNA探針上[16],通過檢測生物發(fā)光強(qiáng)度實現(xiàn)目標(biāo)檢測的方法等等[17~20]。
硅納米線[21](SiNWs)以其優(yōu)越的性能被廣泛應(yīng)用于化學(xué)生物傳感器,將肽核酸固定在其表面上可以作為檢測miRNA的探針,當(dāng)與檢測對象miRNA進(jìn)行雜交時,將會引起SiNWs界面電阻的變化,其變化值與miRNA濃度相關(guān).該技術(shù)無需標(biāo)記,檢測miRNA濃度的下限可達(dá)1 fmol/L,具有良好的特異性。Lusi等[22](圖5)發(fā)展了另一種無標(biāo)記電化學(xué)檢測技術(shù),將用次黃嘌呤修飾的不含鳥嘌呤的DNA做為固定探針,目標(biāo)miRNA存在時可以直接檢測目標(biāo)中鳥嘌呤的電化學(xué)信號,實現(xiàn)miRNA的檢測。此外,F(xiàn)an等[23]利用目標(biāo)介導(dǎo)在納米間隙電極上沉積導(dǎo)電聚合物納米線的方法進(jìn)行miRNA的檢測。該方法首先將肽核酸固定于電極間隙中,與完全互補(bǔ)的目標(biāo)鏈雜交以后,由于肽核酸不含電荷,而目標(biāo)呈負(fù)電性,可以通過靜電作用結(jié)合帶有正電的苯胺,在酶催化的條件下,形成導(dǎo)電的聚苯胺納米線,電極的導(dǎo)電性與目標(biāo)物的含量成比例。該傳感裝置可以檢測低至5 fmol/L的miRNA。除了無標(biāo)記電化學(xué)的檢測技術(shù)外,還可以通過目標(biāo)miRNA直接修飾具有電化學(xué)催化活性的物質(zhì),比如氧化鋨納米粒子[24]和Ru(PD)2Cl2[25],這些電化學(xué)催化物質(zhì)都可以催化肼的氧化反應(yīng),產(chǎn)生電化學(xué)信號,從而達(dá)到檢測miRNA的目的。
圖5 電化學(xué)檢測次黃嘌呤修飾的捕獲探針與目標(biāo)miRNA雜交Fig.5 Electrochemical detection of the hybridization between the Inosine-modified capture probe and target miRNA
圖6 基于莖環(huán)反轉(zhuǎn)錄引物的實時定量PCR技術(shù)(stem-loop RT-PCR)Fig.6 Real-time PCR based on stem-loop RT primer
PCR,即聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng),是一種DNA的指數(shù)擴(kuò)增技術(shù)。美國科學(xué)家Mulis因發(fā)明了該技術(shù)獲得了1995年諾貝爾化學(xué)獎。PCR技術(shù)通過兩個短的稱為引物(primer)的DNA分子,大約20個堿基左右,在一種耐熱的DNA聚合酶的作用,可以在較短的時間內(nèi)把極少的DNA量提高千萬倍之多。PCR技術(shù)對分子生物學(xué)研究起到了巨大的推動作用,而且隨著PCR技術(shù)的日趨完善,PCR在人類社會生活中的應(yīng)用也越來越廣泛。2005年,Chen等[26](圖6)將反轉(zhuǎn)錄定量PCR技術(shù)引入到miRNA的檢測當(dāng)中,建立了名為莖環(huán)的反轉(zhuǎn)錄定量PCR技術(shù)(stem-loop RT-PCR)。他首先設(shè)計了一個莖環(huán)結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)錄的探針,據(jù)報道這種結(jié)構(gòu)大大提高了反轉(zhuǎn)錄的效率和特異性。當(dāng)目標(biāo)miRNA存在時,該探針與其雜交進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生cDNA,再加入正反引物和Taqman探針,進(jìn)行定量PCR。該方法可以檢測總RNA中低至25 pg的miRNA,實際上,高的靈敏度和特異性可以使該方法用于單個細(xì)胞的miRNA檢測而不需要核酸純化。該方法有很強(qiáng)的實用性,可以用于各種miRNA檢測[27]。與此類似的,Raymond等[28]用一個普通的基因特異性線性探針進(jìn)行雜交反轉(zhuǎn)錄,然后利用一個短的序列與被測物相關(guān)含有鎖核酸的引物,和另一個通用的引物進(jìn)行PCR反應(yīng),在一定程度上也可以提高特異性。與上面兩種反轉(zhuǎn)錄PCR技術(shù)不同,Soroush及其研究團(tuán)隊[29]首先用一個含有六個堿基和目標(biāo)互補(bǔ)的探針與miRNA雜交,該探針同時含有5'端多余的堿基,進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄后,產(chǎn)生含有5'端突出cDNA,此時加入同樣5'端突出的與反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生部分序列互補(bǔ)的探針,該探針與反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物雜交相互為模板延伸,這樣就相當(dāng)于在miRNA的兩測引入了通用序列,可以用通用引物擴(kuò)增。該技術(shù)檢測的動力學(xué)范圍可達(dá)6~8個數(shù)量級,下限可達(dá)0.2 fmol/L。不過這些方法都是通過探針與目標(biāo)miRNA直接雜交進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄的,由于miRNA序列短,所以需要用各種辦法來提高雜交效率,但是有一種檢測技術(shù)可以避免這個問題[30],通過Poly(A)聚合酶延伸miRNA產(chǎn)生反轉(zhuǎn)錄引物結(jié)合序列Poly(A),進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄,然后用同樣的兩個引物,一個是通用的,一個是miRNA特異的進(jìn)行定量PCR擴(kuò)增。2009年,Li等[31](圖7)建立一種不依賴反轉(zhuǎn)錄的PCR檢測技術(shù),該技術(shù)設(shè)計了兩個探針,分別由兩部分組成,一部分可以與目標(biāo)miRNA完全互補(bǔ),另一部分是引物結(jié)合序列。這樣,兩個探針在與miRNA互補(bǔ)配對后,由連接酶連接成一條完整的定量PCR模板,加入上下游引物,則可以進(jìn)行定量PCR反應(yīng)。
圖7 基于酶連接實時PCR用于檢測miRNAFig.7 Real-time PCR assay for detection of miRNA based on enzymatic ligation
滾環(huán)擴(kuò)增技術(shù)(Rolling Circle Amplification)也叫滾環(huán)復(fù)制技術(shù),是一種等溫擴(kuò)增方法,它以環(huán)狀DNA為模板,在引物存在時,聚合酶將連續(xù)復(fù)制出無數(shù)個環(huán)的互補(bǔ)序列拷貝。該技術(shù)已經(jīng)成為生物分析領(lǐng)域的核心技術(shù),得到了廣泛的應(yīng)用。2006年,Jonstrup等[32]將RCA技術(shù)用于miRNA的檢測,miRNA首先做為模板將探針連成環(huán),同時做為引物在聚合酶的作用下延伸聚合放大。Cheng等[33]在此基礎(chǔ)上發(fā)展了miRNA檢測的分支滾環(huán)擴(kuò)增技術(shù)(branched rolling-circle amplification)。仍舊以miRNA為模板和引物,不同的是,引入了第二個引物,序列與環(huán)的一部分相同,可以與滾環(huán)產(chǎn)物雜交并延伸擴(kuò)增,再通過聚合酶的鏈置換活性不僅可以擴(kuò)增出環(huán)互補(bǔ)序列的無數(shù)個拷貝,還可以在引物2的作用下延伸出和環(huán)相同序列的無數(shù)個拷貝。最后通過染料嵌入實現(xiàn)信號檢測。與前兩種方法不同的是,Yao等[34]首先將引物與目標(biāo)雜交進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄,反轉(zhuǎn)錄后的產(chǎn)物將以另一個橋探針為模板,連成環(huán)狀分子。再加入引物1進(jìn)行滾環(huán)擴(kuò)增,加入引物2進(jìn)行分支擴(kuò)增。每次反應(yīng)體系可以檢測103~1010個拷貝的miRNA,動力學(xué)范圍很寬,而且可以區(qū)分單堿基錯配和區(qū)分成熟的miRNA及其前體(圖8)。
除了基于PCR和RCA為基礎(chǔ)的檢測技術(shù)外,還有很多均相檢測技術(shù),比如連接酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[35],陽離子聚合物[36],invader反應(yīng)[37],基于核酶的信號放大檢測技術(shù)[38],同位素標(biāo)記連接技術(shù)[39],和將反轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄結(jié)合的信號檢測技術(shù)等等[40]。
圖8 基于RCA的miRNA檢測技術(shù)(A[32],B[33],C[34])Fig.8 miRNA detection based on RCA
綜上所述,miRNA做為一種重要的基因表達(dá)調(diào)控手段,參與各種生物活動,和控制多種疾病的發(fā)生發(fā)展。其檢測手段也越來越受到人們的重視,各種各樣的檢測技術(shù)已被運(yùn)用到miRNA的檢測之中,但是無論是界面檢測技術(shù)還是均相檢測技術(shù),存在自身優(yōu)點的同時都或多或少存在不足,獲得高靈敏度,高通量,高選擇性,高特異性的檢測技術(shù)仍然需要生物分析專業(yè)研究者的進(jìn)一步努力。
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