筛选适配体时合成核酸库的引物设计策略

摘 要:

筛选适配体时常规的随机核酸库设计为,序列两端含引物序列,中间一般由20-60个碱基组成。如增加随机序列的长度,将使随机库中核酸分子的结构多样性呈指数级增长。减少引物序列,避免引物序列对适配体二级结构形成的干扰,减少引物区域与靶分子的非特异性结合;通过高通量测序分析次级库的序列特征,改变核酸库的合成方案,可以增加与靶分子结合的序列或基序。

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随机核酸库通常由化学合成获得,也可以通过基因组DNA设计以及体外转录等途径获得。筛选适配体时需设计合理的核酸库。常规的随机核酸库设计为,序列两端含引物序列,中间一般由20-60个碱基组成。如增加随机序列的长度,将使随机库中核酸分子的结构多样性呈指数级(4n,n为随机序列中的碱基个数)增长。减少引物序列,避免引物序列对适配体二级结构形成的干扰,减少引物区域与靶分子的非特异性结合;通过高通量测序分析次级库的序列特征,改变核酸库的合成方案,可以增加与靶分子结合的序列或基序。

一、引物序列的碱基数设计

目前用于筛选的常规核酸库的核酸序列全长为60-100nt,引物序列为30-32nt,引物序列约占核酸序列长度的一半。这些引物序列中的碱基可能与随机序列区域或另一端的引物序列中的碱基配对,破坏序列的天然二级结构,也降低了随机库序列的结构多样性,即降低了核酸库的容量。核酸库容量的降低则可能导致筛选效率的降低。同时,较长的引物序列也可能与靶标产生较强的非特异性结合。而且,较长的引物序列也明显增加核酸库的合成成本,造成浪费。因此,可通过缩短引物序列或取消引物序列对核酸库进行优化。

在双RNA库筛选方法中,设计的核酸库的引物序列可自身折叠互补,在引物区形成双链结构,从而使引物序列与靶分子的非特异性结合可能性大大降低。但是,为完成引物序列双链结构的剪切,双RNA库仍需保留7-10个核碱基的保守序列。而Pan等报道了无需引物的SELEX方法(primer-free SELEX)。该方法对双RNA库进一步优化,在引物序列与自身的互补序列形成双链结构之后, 用内切酶切除双链DNA。使用不同的内切酶可以使随机库在3’末端保留两个C残基,或者不保留核苷酸残基,而在完成一轮筛选之后通过自身桥接寡核苷酸的杂交将次级库再次连接上引物,用于进行PCR扩增。尽管该方法所涉及的酶反应更加复杂,但是为无需引物的SELEX步骤的设计提供了新的途径。该方法已被用于人类免疫缺陷病毒(HIV)逆转录酶适配体的筛选。

二、基于高通量测序分析的序列设计

通过对逐轮筛选的次级库进行高通量测序,可获得每轮次级库的序列信息。通过生物信息学分析可分析出次级库中的重复序列,重复序列成为适配体序列的可能性更大。利用测序分析获得的随机序列区域的核苷酸碱基分布规律信息,可以指导核酸库的设计合成,优化随机核酸库序列的组成,增加能与靶分子结合的序列或基序的分布。

此外,初始核酸库应该提供筛选的最佳的起始点。目前常用的初始核酸库的4种碱基处于随机的均衡分布状态。适配体序列中短的基序通常能与靶分子结合,而平均分配的基序增加了序列空间多样性,增加了产生具有结合能力适配体出现的几率。合成的核酸库在实际库容量与结构多样性方面不能达到筛选的需求,高通量测序技术与生物信息学分析能够紧密地监控与优化库的合成。有人运用CE-SELEX方法结合高通量测序技术,以卵巢癌生物标记物HE4为靶分子通过5轮筛选获得解离常数为390nmol/L的适配体。分别对每轮筛选所获得的次级库进行高通量测序, 通过生物信息学分析发现重复序列的比值从11.8%增至37.7%, 验证了SELEX过程中每轮的筛选效率有所增加。

参考文献:

杨歌, 魏强, 赵新颖, 等. 蛋白质的核酸适配体筛选的研究进展. 色谱, 2016,34:370-381.

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