Evoluția sistematică a liganzilor prin îmbogățire exponențială

Evoluția sistematică a liganzilor prin îmbogățire exponențială ( în engleză  SELEX din Systematic Evolution of Ligands by EXponential Enrichment ) este o metodă de chimie combinatorie utilizată în biologia moleculară pentru a obține oligonucleotide (molecule scurte de ARN sau ADN monocatenar ) care se leagă în mod specific la un anumit ligand (sau liganzi). Astfel de oligonucleotide sunt numite aptameri [1] [2] [3] . Cel mai adesea, această metodă se numește SELEX, dar există și abrevieri SAAB (din engleză. select and amplified binding site  - selected and amplified binding site ) și CASTing (din engleză  cyclic amplification and selection of targets  - cyclic amplification and selection of targets) [4] [5] . SELEX a fost dezvoltat în 1990. În 2015, Journal of Molecular Evolution a dedicat acestei metode un număr special în legătură cu aniversarea a 25 de ani de la inventarea sa [6] .

Procesul începe cu sinteza unei biblioteci foarte mari de oligonucleotide , constând din secvențe aleatoare de lungime fixă ​​cu regiuni constante 5’ și 3’ care servesc ca situsuri de recoacere a primerului (adică legarea complementară a primerilor la matriță). În plus, oligonucleotidele incluse în bibliotecă interacționează cu ligandul de interes pentru cercetător (cel mai adesea o proteină sau un compus organic mic ). Acele oligonucleotide care nu s-au putut lega de ligand sunt îndepărtate folosind cromatografia de afinitate sau granule magnetice [7] . Oligonucleotidele legate de ligand sunt eluate, amplificate prin reacția în lanț a polimerazei (PCR) și supuse rundelor ulterioare de selecție pentru a selecta molecule cu cea mai mare afinitate pentru ligand [2] [3] .

Metoda SELEX a fost deja folosită cu succes pentru a dezvolta un număr de aptameri în scopuri clinice și de cercetare [8] . SELEX a fost, de asemenea, utilizat pentru a genera aptameri cu nucleotide care conțin zaharuri modificate chimic sau baze azotate . Nucleotidele modificate pot oferi aptamerilor capacități suplimentare de legare și, de asemenea, le pot crește stabilitatea [9] .

Metoda

Crearea unei biblioteci

Primul pas al SELEX este crearea unei biblioteci mari de oligonucleotide cu o lungime fixă, dar secvențe complet sau parțial aleatorii. Cu toate acestea, regiunile cu o secvență variabilă trebuie să fie flancate de regiuni cu o secvență fixă ​​pentru a fi amplificate prin PCR. Oligonucleotidele sunt inițial preparate prin sinteză chimică și apoi amplificate prin PCR, astfel încât fiecare secvență aleatorie să fie prezentă în mai multe copii în bibliotecă. În cazul aptamerilor ARN, se realizează transcripția in vitro a secvențelor aleatorii. Numărul mare de copii al fiecărei secvențe aleatoare reduce probabilitatea ca un site potențial de legare să se piardă din motive stocastice. Pentru ca oligonucleotidele să poată dobândi o structură spațială nativă, acestea sunt transformate într-o formă monocatenară și abia după aceea sunt incubate cu ligand țintă [2] [3] [10] .

Incubarea cu ligand

Imediat înainte de adăugarea oligonucleotidelor la ligand, biblioteca de oligonucleotide monocatenar este încălzită și răcită lent, astfel încât acestea să dobândească o structură secundară și terțiară stabilă termodinamic [3] [7] . Biblioteca de secvențe aleatoare (bibliotecă randomizată) este apoi incubată cu ligand țintă imobilizat pentru a permite aptamerilor să se lege la acesta. Protocoalele pentru incubarea unei biblioteci cu un ligand pot varia, în special, diferite abordări pentru imobilizarea liganzilor, separarea oligonucleotidelor nelegate, timpi și temperaturi diferiți de incubare , tampon de incubare și rapoarte de concentrație ale oligonucleotidelor și liganzilor. Liganzii sunt imobilizați pe coloane de cromatografie de afinitate [3] , filtre de nitroceluloză [2] sau granule magnetice [7] . De asemenea, a fost dezvoltată o variantă de SELEX care utilizează întreaga celulă ca ligand . În acest caz, incubarea bibliotecii de oligonucleotide are loc direct în vasele de cultură în care cresc celulele [11] . Compoziția tamponului în care are loc incubarea depinde de proprietățile ligandului și de cerințele pentru aptameri selectați cu succes. De exemplu, dacă ligandul este o moleculă mică sau o proteină încărcată negativ , se utilizează tampoane cu sare mari pentru a promova legarea aptamerului la ligand. Dacă este necesar să se obțină un aptamer care se leagă la o proteină in vivo sau la o celulă întreagă, care este planificată să fie utilizată în scopuri de diagnostic sau terapeutic , atunci se folosesc tampon pentru incubare care sunt aproape de plasma sanguină în concentrații de sare și procesul în sine se desfășoară la temperaturi fiziologice pentru ca aptamerii selectați să se lege cel mai probabil la ligand precis in vivo . Tampoanele de incubație pot conține, de asemenea, concurenți nespecifici. Dacă există o probabilitate mare ca oligonucleotidele care nu se leagă de ligand să rămână totuși în amestecul de reacție datorită legării nespecifice la matriță, atunci concurenții nespecifici (molecule mici sau polimeri similari ca proprietăți cu oligonucleotidele din bibliotecă) vor previne reținerea nespecifică a aptamerilor nepotriviți în amestecul de reacție [11] . Proprietățile aptamerilor selectați pot depinde, de asemenea, de raportul dintre concentrațiile de ligand și oligonucleotide. Dacă cercetătorul nu se confruntă cu sarcina de a obține aptameri cu o afinitate foarte puternică pentru ligand, atunci merită să folosiți un exces de ligand pentru a crește probabilitatea ca cel puțin unele oligonucleotide să se poată lega de acesta. Cu toate acestea, dacă, dimpotrivă, este necesar un aptamer foarte specific care leagă puternic ligandul, atunci oligonucleotidele ar trebui luate în exces. Acest lucru va crea competiție între aptameri și condiții pentru selecția celor mai potriviti dintre ei [2] .

Elutie si amplificare

După ce biblioteca de oligonucleotide a fost incubată cu ligand pentru un timp suficient, oligonucleotidele nelegate sunt spălate, în timp ce cele legate rămân legate de ligandul imobilizat [3] . Când secvențele nelegate sunt îndepărtate, este necesar să se elueze aptamerii legați prin ruperea legăturii sale cu ligandul imobilizat. Pentru eluare, sunt create condiții de denaturare în care aptamerii își pierd structura spațială, își pierd legăturile cu ligand și sunt spălați cu apă deionizată [3] . Condițiile de denaturare sunt create de soluții care conțin uree sau EDTA [11] [12] , precum și de temperatură ridicată sau impact fizic. După eluare, oligonucleotidele eliberate sunt supuse transcripției inverse dacă sunt ARN sau dacă trebuie introduse nucleotide modificate [2] [3] [11] , iar nucleotidele ADN sunt pur și simplu asamblate pentru amplificare ulterioară [13] . Fragmentele de ADN obținute sunt amplificate în continuare prin PCR și convertite în ADN monocatenar (ssDNA), ARN sau oligonucleotidă modificată în bază, care va fi folosită pentru următoarea rundă de selecție [2] [3] .

Obținerea ssDNA

Următorul pas în SELEX este obținerea ssDNA, care va fi folosit pentru amplificarea ulterioară prin PCR. Una dintre cele mai simple moduri de a obține ssDNA este utilizarea primerilor inversi biotinilați pentru PCR, datorită cărora catenele de ADN complementare sintetizate vor transporta biotină. Cu ajutorul biotinei, ele pot fi fixate pe rășină, iar a doua componentă a duplexului poate fi eluată cu o soluție alcalină . O altă metodă de obținere a ssDNA este PCR asimetrică , în care primerul direct este luat în exces, iar primerul invers este luat într-o cantitate foarte mică, datorită căreia sunt sintetizate mai multe fragmente monocatenar. Un dezavantaj al PCR asimetrică este că după PCR, produsul monocatenar trebuie să fie curățat de ADN dublu catenar și alte fragmente străine. Lanțurile inutile pot fi distruse enzimatic , după ce le-au marcat în prealabil astfel încât să fie recunoscute, de exemplu, de exonucleaza lambda . Enzimele vor distruge catena inutilă, iar ssDNA țintă va rămâne intactă [2] [3] .

Selecție negativă

Pentru a crește specificitatea aptamerilor selectați folosind SELEX, o etapă suplimentară, selecția negativă, poate fi introdusă imediat înainte sau imediat după incubare. Acest pas este necesar pentru a elimina secvențele din amestec care se leagă nu de ligand, ci de matricea pe care este imobilizat [12] [14] [13] . Selecția negativă constă în adăugarea de analogi de liganzi, proteine ​​nespecifice și alte molecule la amestec, care colectează toate oligonucleotidele nespecifice [11] [13] [15] .

Observarea procesului de selecție

Pentru a monitoriza progresul SELEX, se poate compara numărul de molecule de ligand care interacționează cu aptamerii, care este legat de numărul de oligonucleotide eluate, cu numărul total de oligonucleotide eluate teoretic în fiecare etapă. Numărul de oligonucleotide eluate este estimat prin măsurarea absorbanței la o lungime de undă de 260 nm sau folosind oligonucleotide marcate fluorescent . Când procesul SELEX se încheie, proporția de oligonucleotide care se leagă de aptamer ajunge la 100%, iar numărul de oligonucleotide eluate devine egal cu (sau puțin mai mic decât) dimensiunea bibliotecii utilizate în incubație [3] [16 ]. ] .

Nucleotide modificate chimic

În prezent, SELEX utilizează nucleotide modificate chimic. Prezența nucleotidelor modificate chimic în oligonucleotide poate oferi avantaje suplimentare potențialilor aptameri, cum ar fi creșterea stabilității și rezistenței lor la nucleaze , îmbunătățirea legării la ținte specifice, modificarea proprietăților fizice (de exemplu, creșterea hidrofobicității ) și creșterea numărului de posibile nucleotide. structuri pentru o anumită oligonucleotidă. Nucleotidele cu baze azotate nenaturale au fost deja folosite în SELEX, iar în unele cazuri, datorită utilizării lor, s-a putut obține aptameri ADN cu afinitate mare pentru țintă [8] [9] [17] .

Aplicație

SELEX a fost conceput pentru a produce, prin evoluție direcționată, aptameri cu afinitate foarte mare pentru liganzi specifici, inclusiv molecule mici precum ATP [18] și adenozina [10] [19] , precum și proteine ​​(de exemplu, prioni [20] și factorul de creștere endotelial vascular (VEGF) [21] ). SELEX este folosit pentru a genera aptameri de mare afinitate pentru structuri mai complexe, cum ar fi celulele tumorale [22] . Se dezvoltă aptameri care leagă în mod specific markerii tumorali [23] , proteina fluorescentă verde și fluoroforii înrudiți [24] . FDA a aprobat deja un aptamer care leagă VEGF cunoscut sub numele de pegaptanib pentru tratamentul degenerescenței maculare [21] [25] . SELEX a fost folosit pentru a produce ADN catalitic foarte specific (DNA zymes). Sunt cunoscute mai multe ierni ADN specifice metalelor [26] , inclusiv ierni ADN specifice cuprului [27] , uraniului [28] și sodiului [29] . Biosenzori bazați pe aptameri sunt în curs de dezvoltare [30] ; în plus, acestea sunt planificate să fie utilizate pentru marcarea fluorescentă a proteinelor [31] și a celulelor [32] , precum și pentru inhibarea selectivă a enzimelor [33] .

Note

  1. Oliphant AR , Brandl CJ , Struhl K. Definirea specificității secvenței proteinelor de legare la ADN prin selectarea site-urilor de legare din oligonucleotidele cu secvență aleatorie: analiza proteinei GCN4 de drojdie.  (Engleză)  // Biologie moleculară și celulară. - 1989. - iulie ( vol. 9 , nr. 7 ). - P. 2944-2949 . - doi : 10.1128/mcb.9.7.2944 . — PMID 2674675 .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Tuerk C. , Gold L. Evoluția sistematică a liganzilor prin îmbogățire exponențială: liganzii ARN la ADN polimeraza bacteriofagului T4.  (engleză)  // Știință (New York, NY). - 1990. - 3 august ( vol. 249 , nr. 4968 ). - P. 505-510 . - doi : 10.1126/science.2200121 . — PMID 2200121 .
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Ellington AD , Szostak JW Selecția in vitro a moleculelor de ARN care leagă liganzi specifici.  (engleză)  // Natură. - 1990. - 30 august ( vol. 346 , nr. 6287 ). - P. 818-822 . - doi : 10.1038/346818a0 . — PMID 1697402 .
  4. Blackwell TK , Weintraub H. Diferențele și asemănările în preferințele de legare la ADN ale complexelor proteice MyoD și E2A relevate prin selecția site-ului de legare.  (engleză)  // Știință (New York, NY). - 1990. - 23 noiembrie ( vol. 250 , nr. 4984 ). - P. 1104-1110 . - doi : 10.1126/science.2174572 . — PMID 2174572 .
  5. ^ Wright W.E. , Binder M. , Funk W. Cyclic amplification and selection of targets (CASTing) for the myogenin consensus binding site. (Engleză)  // Biologie moleculară și celulară. - 1991. - August ( vol. 11 , nr. 8 ). - P. 4104-4110 . - doi : 10.1128/mcb.11.8.4104 . PMID 1649388 .  
  6. Gold L. SELEX: Cum sa întâmplat și unde va merge.  (Engleză)  // Journal Of Molecular Evolution. - 2015. - Decembrie ( vol. 81 , nr. 5-6 ). - P. 140-143 . - doi : 10.1007/s00239-015-9705-9 . — PMID 26480964 .
  7. ↑ 1 2 3 Stoltenburg R. , Schubert T. , Strehlitz B. Studii in vitro de selecție și interacțiune ale unui aptamer ADN care vizează proteina A.  //  PloS One. - 2015. - Vol. 10 , nr. 7 . - P.e0134403-0134403 . - doi : 10.1371/journal.pone.0134403 . — PMID 26221730 .
  8. ↑ 1 2 Wu YX , Kwon YJ Aptamers: „Evoluția” SELEX.  (engleză)  // Metode (San Diego, California). - 2016. - 15 august ( vol. 106 ). - P. 21-28 . - doi : 10.1016/j.ymeth.2016.04.020 . — PMID 27109056 .
  9. ↑ 1 2 Keefe AD , Cload ST SELEX cu nucleotide modificate.  (Engleză)  // Opinia curentă în biologie chimică. - 2008. - august ( vol. 12 , nr. 4 ). - P. 448-456 . - doi : 10.1016/j.cbpa.2008.06.028 . — PMID 18644461 .
  10. 1 2 Huizenga DE , Szostak JW Un aptamer ADN care leagă adenozina și ATP.  (engleză)  // Biochimie. - 1995. - 17 ianuarie ( vol. 34 , nr. 2 ). - P. 656-665 . - doi : 10.1021/bi00002a033 . — PMID 7819261 .
  11. ↑ 1 2 3 4 5 Iwagawa T. , Ohuchi SP , Watanabe S. , Nakamura Y. Selection of ARN aptamers against mouse embrionary stem cells.  (engleză)  // Biochimie. - 2012. - ianuarie ( vol. 94 , nr. 1 ). - P. 250-257 . - doi : 10.1016/j.biochi.2011.10.017 . — PMID 22085640 .
  12. ↑ 1 2 Vater A. , ​​Jarosch F. , Buchner K. , Klussmann S. Short bioactive Spiegelmers to migren-associated calcitonin gene-related peptide rapidly found by a new approach: tailored-SELEX.  (Engleză)  // Cercetarea acizilor nucleici. - 2003. - 1 noiembrie ( vol. 31 , nr. 21 ). - P. e130-130 . - doi : 10.1093/nar/gng130 . — PMID 14576330 .
  13. ↑ 1 2 3 Blank M. , Weinschenk T. , Priemer M. , Schluesener H. Evoluția sistematică a unui aptamer ADN care se leagă la microvasele tumorii cerebrale de șobolan. țintirea selectivă a porcilor proteinei reglatoare endoteliale.  (Engleză)  // Jurnalul de chimie biologică. - 2001. - 11 mai ( vol. 276 , nr. 19 ). - P. 16464-16468 . - doi : 10.1074/jbc.M100347200 . — PMID 11279054 .
  14. Stoltenburg R. , Reinemann C. , Strehlitz B. SELEX--o metodă (r)evolutivă pentru a genera liganzi de acid nucleic cu afinitate mare.  (engleză)  // Inginerie biomoleculară. - 2007. - octombrie ( vol. 24 , nr. 4 ). - P. 381-403 . - doi : 10.1016/j.bioeng.2007.06.001 . — PMID 17627883 .
  15. Haller AA , Sarnow P. Selecția in vitro a unui ARN de legare la 7-metil-guanozină care inhibă translația moleculelor de ARNm acoperite.  (engleză)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States Of America. - 1997. - 5 august ( vol. 94 , nr. 16 ). - P. 8521-8526 . - doi : 10.1073/pnas.94.16.8521 . — PMID 9238009 .
  16. ^ Sefah K. , Shangguan D. , Xiong X. , O'Donoghue MB , Tan W. Development of DNA aptamers using Cell-SELEX.  (Engleză)  // Nature Protocols. - 2010. - iunie ( vol. 5 , nr. 6 ). - P. 1169-1185 . - doi : 10.1038/nprot.2010.66 . — PMID 20539292 .
  17. ^ Pinheiro VB , Taylor AI , Cozens C. , Abramov M. , Renders M. , Zhang S. , Chaput JC , Wengel J. , Peak-Chew SY , McLaughlin SH , Herdewijn P. , Holliger P. Polimeri genetici sintetici capabili de ereditatea și evoluția.  (engleză)  // Știință (New York, NY). - 2012. - 20 aprilie ( vol. 336 , nr. 6079 ). - P. 341-344 . - doi : 10.1126/science.1217622 . — PMID 22517858 .
  18. Dieckmann T. , Suzuki E. , Nakamura GK , Feigon J. Structura soluției unui aptamer de ARN care leagă ATP-ul dezvăluie o pliu nouă.  (engleză)  // RNA (New York, NY). - 1996. - iulie ( vol. 2 , nr. 7 ). - P. 628-640 . — PMID 8756406 .
  19. Burke DH , Gold L. Aptameri ARN la fragmentul de adenozină a S-adenosil metioninei: inferențe structurale din variații pe o temă și reproductibilitatea SELEX.  (Engleză)  // Cercetarea acizilor nucleici. - 1997. - 15 mai ( vol. 25 , nr. 10 ). - P. 2020-2024 . - doi : 10.1093/nar/10/25/2020 . — PMID 9115371 .
  20. Mercey R. , Lantier I. , Maurel MC , Grosclaude J. , Lantier F. , Marc D. Interacțiunea rapidă, reversibilă a proteinei prionice cu aptamerii ARN care conțin modele de secvență specifice.  (Engleză)  // Arhivele Virologiei. - 2006. - noiembrie ( vol. 151 , nr. 11 ). - P. 2197-2214 . - doi : 10.1007/s00705-006-0790-3 . — PMID 16799875 .
  21. 1 2 Ulrich H. , Trujillo CA , Nery AA , Alves JM , Majumder P. , Resende RR , Martins AH ADN și ARN aptameri: de la instrumente pentru cercetarea de bază spre aplicații terapeutice.  (engleză)  // Chimie combinatorie și screening cu randament ridicat. - 2006. - Septembrie ( vol. 9 , nr. 8 ). - P. 619-632 . — PMID 17017882 .
  22. ^ Daniels DA , Chen H. , Hicke BJ , Swiderek KM , Gold L. Un aptamer tenascin-C identificat de celulele tumorale SELEX: evoluția sistematică a liganzilor prin îmbogățire exponențială. (engleză)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States Of America. - 2003. - 23 decembrie ( vol. 100 , nr. 26 ). - P. 15416-15421 . - doi : 10.1073/pnas.2136683100 . PMID 14676325 .  
  23. Ferreira CS , Matthews CS , Missailidis S. Aptameri ADN care se leagă la markerul tumoral MUC1: proiectarea și caracterizarea aptamerilor ADN monocatenar care leagă MUC1.  (Engleză)  // Biologia tumorilor: Jurnalul Societății Internaționale pentru Biologie și Medicină Oncodevelopmental. - 2006. - Vol. 27 , nr. 6 . - P. 289-301 . - doi : 10.1159/000096085 . — PMID 17033199 .
  24. ^ Paige JS , Wu KY , Jaffrey SR ARN imită proteina verde fluorescentă.  (engleză)  // Știință (New York, NY). - 2011. - 29 iulie ( vol. 333 , nr. 6042 ). - P. 642-646 . - doi : 10.1126/science.1207339 . — PMID 21798953 .
  25. Vavvas D. , D'Amico DJ Pegaptanib (Macugen): tratarea degenerescenței maculare neovasculare legate de vârstă și rolul actual în practica clinică.  (Engleză)  // Clinicile de oftalmologie din America de Nord. - 2006. - Septembrie ( vol. 19 , nr. 3 ). - P. 353-360 . - doi : 10.1016/j.ohc.2006.05.008 . — PMID 16935210 .
  26. Breaker RR , Joyce GF O enzimă ADN care scindează ARN-ul.  (engleză)  // Chimie și biologie. - 1994. - Decembrie ( vol. 1 , nr. 4 ). - P. 223-229 . — PMID 9383394 .
  27. Carmi N. , Shultz LA , Breaker RR Selecția in vitro a ADN-urilor autoclivate.  (engleză)  // Chimie și biologie. - 1996. - Decembrie ( vol. 3 , nr. 12 ). - P. 1039-1046 . — PMID 9000012 .
  28. ^ Liu J. , Brown AK , Meng X. , Cropek DM , Istok JD , Watson DB , Lu Y. A catalitic beacon sensor for uranium with parts-per-trilion sensitivity and millionfold selectivity. (engleză)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States Of America. - 2007. - 13 februarie ( vol. 104 , nr. 7 ). - P. 2056-2061 . - doi : 10.1073/pnas.0607875104 . PMID 17284609 .  
  29. Torabi SF , Wu P. , McGhee CE , Chen L. , Hwang K. , Zheng N. , Cheng J. , Lu Y. Selecția in vitro a unei ADNzime specifice sodiului și aplicarea acesteia în detectarea intracelulară.  (engleză)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States Of America. - 2015. - 12 mai ( vol. 112 , nr. 19 ). - P. 5903-5908 . - doi : 10.1073/pnas.1420361112 . — PMID 25918425 .
  30. Lubin AA , Hunt BV , White RJ , Plaxco KW Efectele lungimii sondei, geometriei sondei și plasării etichetelor redox asupra performanței senzorului electrochimic E-DNA.  (engleză)  // Chimie analitică. - 2009. - 15 martie ( vol. 81 , nr. 6 ). - P. 2150-2158 . doi : 10.1021 / ac802317k . — PMID 19215066 .
  31. Umrao Saurabh , Jain Vasundhara , Chakraborty Banani , Roy Rahul. Îmbunătățirea fluorescenței induse de proteine ​​ca mecanism de detectare a aptamerului pentru detectarea trombinei  //  Senzori și actuatori B: Chimic. - 2018. - august ( vol. 267 ). - P. 294-301 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/j.snb.2018.04.039 .
  32. Terazono H. , Anzai Y. , Soloviev M. , Yasuda K. Labeling of live cells using fluorescent aptamers: binding reversal with DNA nucleazes.  (engleză)  // Jurnalul de nanobiotehnologie. - 2010. - 13 aprilie ( vol. 8 ). - P. 8-8 . - doi : 10.1186/1477-3155-8-8 . — PMID 20388214 .
  33. Mondragón E. , Maher LJ 3rd. Inhibitori de aptamer ARN ai unei endonucleaze de restricție.  (Engleză)  // Cercetarea acizilor nucleici. - 2015. - 3 septembrie ( vol. 43 , nr. 15 ). - P. 7544-7555 . doi : 10.1093 / nar/gkv702 . — PMID 26184872 .