核酸適配體手冊：功能性寡核苷酸及其套用

本書系統介紹了核酸適配體的體外篩選原理、技術方法以及近年來在基礎醫學、臨床診斷、藥物研究等方面的套用。主要包括各種靶分子的適配體體外篩選技術；用核酸適配體作為藥理探針在體內和體外確定靶標、蛋白功能分析、活體成像和適配體在臨床治療研究中的套用等。書中內容均為該領域最新研究成果，其介紹的內容和方法對於國內適配體研究工作者具有指導意義和良好參考價值。適合化學、生物學、醫學及生物醫學工程領域的科研院所和高等院校的研究生，科研人員參考。

基本介紹

• 書名：核酸適配體手冊：功能性寡核苷酸及其套用 
• 作者：[德]斯文·克盧斯曼 主編 
• ISBN：978-7-122-17980-7 
• 頁數：427頁 
• 定價：￥128.0元 
• 出版社：化學工業出版社 
• 出版時間：2013年10月 
• 裝幀：精 
• 開本：B5  710×1000　1/16 

前言

為什麼要寫一本關於適配體的書？可能所有已經熟悉適配體的讀者都會提出這個問題，因為在科學文獻中有相當多的高質量的綜述已經出版。但是，完全相同的問題也可能會被任意一位其他讀者提出來，儘管他在科學上很感興趣，但卻又完全不熟悉適配體。當出版社問我是否有興趣編輯一本有關適配體的書時，我問了自己一個不同的問題：至今還沒有一本適配體的教科書是真的嗎？——從它們問世起至今已經超過了15年的時間。的確，我認識到現狀就是這種。儘管有興趣的讀者會發現，在網際網路搜尋引擎Google上輸入術語“aptamer”時，有超過110000個條目，儘管在科學的資料庫中有成百上千的出版物，儘管有許多申請的專利和授權的專利，儘管一些公司曾經和仍然從事適配體工作，儘管最後但並非最終可用的基於適配體的藥物（Macugen）已通過臨床開發，進入市場，現在幫助了許多病人用於治療破壞性的年齡相關的黃斑變性疾病，但迄今為止，還沒有一本對與適配體相關的巨大機遇進行詳細總結的教科書。

編寫“適配體手冊” 的初衷考慮了從適配體的多個側面，特別是它們的套用，提供一個詳細全面的視角。從設計概念上是面向非常廣大的讀者群，而不僅是包括分子生物學、生物化學和化學等純科學的學科。它也強調通常更具有套用導向的領域，如藥理學和藥學，但是它也對製藥公司和生物技術行業的管理者有所幫助，他們（應該）考慮更廣泛地使用或建立新的和創新的技術。通過許多傑出的科學家所投入的巨大量的工作，以及通過公共或者商業資助所投入的資金，目前已經幫助我們獲得了適配體和適配體相關的大量的、廣泛的和堅實的基礎知識，這些知識應該被越來越多的人們所認識。

儘管早期進行了相當多的前期工作，但最耀眼的一刻卻定格在1990年，當Joyce Gold和Szostak小組利用體外進化篩選技術來識別特有的RNA結構，且該結構表現出新的或可變的多功能性：其分別與靶分子和酶的活性部位結合。Ellington和Szostack發表在Nature上的文章中，將結合靶標的RNA分子命名為“aptamers”，而Tuerck和Gold 發表在Science 的文章中，將確定aptamers的過程稱作“SELEX”(指數富集的系統配體進化)。隨後幾年，人們提出了幾乎任何可想像的靶標類型的適配體：如小分子、肽、蛋白、或甚至核糖體和病毒微粒。當很多人認為只有抗體才能以高親和力和特異性與靶標結合時，人們不得不承認適配體（寡核苷酸結構）也同樣能做到，甚至有時更好。

在第1章中，Carothers和Szostak做了適配體的總體概述，將他們的發現放在關於生命起源和RNA世界的討論的上下文中。隨後兩章，從理論的觀點，為讀者提供了對有關（體外）進化和適應性曲面的深入了解。本書第2篇包括了五章，每一章涉及的都是與一定類型的靶標結合的適配體，如小分子、抗生素、蛋白質和核酸結構。最後一章介紹了由自然界自身進化而來的適配體基序，它們被稱為“核糖開關”。這些“天然適配體”包埋在信使RNA分子中，能直接感應小分子，因此能夠在基因調控中作為調節因素髮揮作用。本書中篇幅較小的第3篇有兩章，介紹了RNA和DNA寡核苷酸的催化功能。儘管這些所謂的核酶或脫氧核酶並不歸為適配體一類，但是通過體外進化篩選方法能夠得到它們，並且它們通過篩選到的三維結構行使功能。

本書第4篇展現了適配體的許多套用概述。這些套用範圍包括適配體作為細胞外和細胞內（內配體）靶標確認的體外工具，涉及到所謂的適配體酶，它們由適配體和（脫氧）核酶結合組成，可用於生物感測器，包括適配體作為小分子藥物開發的前導結構，以及包括適配體在親和色譜套用中作為配體。而且，這些靈活多變的分子也能在體內行使其功能。由於它們具有結合能力，從而可阻礙重要的疾病靶標，適配體可以作為並且已經用作體內成像試劑和治療藥物。對於這些套用，通常必須對適配體進行化學修飾以使它們具有生物穩定性。從鏡像核苷酸（所謂的Spiegelmers）構建的適配體已經表現出天然的生物穩定性，不需要進一步的穩定化處理。最後一章介紹了Macugen，它是抗血管內皮生長因子的適配體，2004年12月經美國食品與藥品監督管理局批准作為可用於治療年齡相關的黃斑變性疾病的藥物。最後，在後記中，第一個將SELEX從學術實驗室轉移到生物技術公司環境中的Larry Gold總結了他個人對於適配體的看法。

我希望這本書會幫助有興趣的讀者獲得適配體在各個充滿誘惑的領域中的綜合印象。我們知道在所有各種可能中，很難做到完整性，因此，我們選擇了不同的主題來儘可能多地啟發適配體的不同研究領域。進一步講，我希望吸引最優秀的人才加入到這個領域，來進一步挑戰極限。

非常感激使這本書得以完成的所有人。非常感謝每章的作者們所奉獻的精彩章節，感謝Jerry Joyce的精彩序言，感謝Christian Mihm的封面設計，最後，但並非不重要，要感謝WileyVCH的工作人員，特別是Frank Otmar Weinreich和Steffen Pauly，感謝你們一直以來的支持。
Sven Klussmann於柏林，2005年12月

目錄

第1篇歷史和理論背景

第1章體外篩選功能性寡核苷酸及其生物化學活性的起源2

James M.Carothers 和 Jack W.Szostak著；屈鋒 譯

1.1引言2

1.2體外篩選的簡短歷史3

1.3體外篩選產生適配體、核酶、脫氧核酶的啟示5

1.4合成學方法用於理解功能核酸的自然起源11

1.5最新的技術發展和未來的方向14

1.6小結19

致謝19

參考文獻20

第2章RNA進化的數學模型、計算機模擬和體外篩選的概念26

Peter Schuster 著；宋丹丹 譯

2.1從早期的實驗和理論到中性網路的概念26

2.1.1試管中的進化26

2.1.2分子進化的動力學理論27

2.1.3序列空間和形狀空間28

2.2RNA結構、熱力學和動力學摺疊29

2.2.1最小自由能的二級結構29

2.2.2逆摺疊30

2.2.3次優構象與動力學摺疊32

2.2.4共摺疊和DNA參數32

2.3中性網路和計算機模擬分子進化34

2.3.1序列空間中的中性網路34

2.3.2計算機模擬RNA進化36

2.3.3計算機模擬進化的經驗教訓39

2.4設計的和天然的RNA開關40

2.5RNA設計未來存在的問題展望42

致謝43

參考文獻43

第3章適配體進化中的適應性曲面，錯誤閾值和輔助因子47

dám Kun，MarieChristine Maurel，Mauro Santos and Ers Szathmáry 著；

宋丹丹 譯

3.1引言47

3.2從實例中推導的函式曲面49

3.2.1適應性曲面49

3.2.2核酶參與的損傷篩選實驗50

3.2.3適應性曲面的構建54

3.2.4案例研究：脈孢菌VS核酶的適應性曲面55

3.3從函式曲面推斷的錯誤閾值：脈孢菌VS核酶的“真實”錯誤閾值60

3.4尋找催化的伴侶：輔助因子和適配體62

3.4.1聯合核酶（輔助因子輔助的核酶）64

3.4.2適配體酶68

3.5輔酶的運用：通過翻譯和遺傳密碼，從RNA世界到蛋白質世界69

3.6展望73

致謝74

參考文獻74

第2篇靶標結合的寡核苷酸的體外篩選

第4章小分子的適配體84

Heiko Fickert，Iris G.Fransson和Ulrich Hahn 著；趙新穎 譯

4.1引言84

4.2核苷酸、核苷和鹼基的適配體84

4.3輔助因子的適配體86

4.4胺基酸的適配體88

4.5糖的適配體91

4.6天然產物的適配體93

4.7有機或螢光染料的適配體96

4.8嵌合的適配體篩選方法99

4.9小結99

致謝99

參考文獻100

第5章抗生素的適配體103

Christina Lorenz和Renée Schroeder 著；趙新穎 譯

5.1引言103

5.2與RNA結合的抗生素106

5.3四環素的適配體107

5.4鏈黴素的適配體109

5.5氨基糖苷的適配體111

5.6氯黴素的適配體112

5.7肽類抗生素紫黴素的適配體113

5.7.1肽類抗生素紫黴素作為初始的前導分子114

5.8從抗生素結合的適配體中我們學到了什麼？114

致謝115

參考文獻115

第6章蛋白質的適配體118

Shahid M.Nimjee，Christopher P.Rusconi and Bruce A.Sullenger 著；呂雪飛 譯

6.1前言118

6.2蛋白質抑制劑適配體的性質121

6.3細胞因子/生長因子126

6.3.1血管內皮生長因子（VEGF）126

6.3.2人干擾素γ128

6.3.3血管生成素2128

6.3.4鹼性成纖維細胞生長因子128

6.3.5血小板衍生生長因子129

6.4核酸結合蛋白130

6.4.1HIV1 Tat130

6.4.2HIV1 Rev130

6.4.3HIV反轉錄酶131

6.4.4轉錄因子 E2F131

6.4.5核因子 Kappa B132

6.5絲氨酸蛋白酶133

6.5.1C型肝炎病毒NS3（HSVNS3）133

6.5.2人嗜中性粒細胞彈性蛋白酶133

6.5.3凝血酶134

6.5.4Ⅶa因子136

6.5.5Ⅸa因子136

6.6抗體/免疫球蛋白138

6.6.1抗胰島素受體的抗體MA20138

6.6.2乙醯膽鹼受體的單克隆抗體（MAb）138

6.6.3免疫球蛋白E139

6.6.4細胞毒性T細胞抗原4139

6.7細胞表面受體/細胞黏附分子140

6.7.1P選擇素140

6.7.2L選擇素140

6.7.3前列腺特異性膜抗原141

6.7.4克氏錐蟲141

6.8補體蛋白——人補體C5142

6.9細胞外膜蛋白——肌腱蛋白C142

6.10脂蛋白——人非胰腺分泌的磷脂酶A2142

6.11阮病毒蛋白——阮病毒蛋白PrPSc143

6.12多肽類143

6.12.1Ghrein/胃促生長素143

6.12.2神經肽降鈣素基因相關肽1143

6.12.3促性腺激素釋放激素144

6.12.4神經肽痛敏肽/孤啡肽FQ144

6.13小結145

參考文獻145

第7章核酸結構的適配體152

JeanJacques Toulmé，Fabien Darfeuille，Carmelo Di Primo 和 Eric Dausse 著；

呂雪飛 譯

7.1引言152

7.2雙鏈核酸的適配體153

7.3環環間的相互作用154

7.3.1RNARNA “親吻”複合物155

7.3.2DNARNA“親吻”複合物157

7.3.3雙RNARNA“親吻”環作用160

7.3.4頂環內環相互作用161

7.4化學修飾的適配體識別RNA靶標163

7.5基於核酸靶標的適配體的生物學特性166

7.6小結167

致謝168

參考文獻169

第8章核糖開關：天然的代謝物結合RNA調控基因表達173

Adam Roth，Rüdiger Welz，Ronald R.Breaker 著；張小莉 譯

8.1引言173

8.2核糖開關的基因調控174

8.3核糖開關的適配體結合域175

8.4特異性識別鳥嘌呤和腺嘌呤的天然適配體177

8.5適配體結構的高分辨分析180

8.6甘氨酸核糖開關181

參考文獻185

第3篇具有催化活性的短鏈寡核苷酸的體外篩選

第9章具有催化活性的RNA分子：有機化學中的工具190

BarbaraSylvia Weigand，Andreas Zerressen，Jrg C. Schlatterer，Mark Helm

和 Andres Jschke 著；高培峰 譯

9.1引言190

9.2具有催化活性的生物大分子191

9.3核酶的從頭構建192

9.4核酶的催化譜194

9.5小結202

參考文獻203

第10章脫氧核酶：具有催化活性的DNA分子207

Kenny Schlosser，Simon A.McManus，Yingfu Li 著；屈鋒，高培峰 譯

10.1DNA催化能力的最初證明207

10.1.1剪下RNA的DNA核酶208

10.1.2連線DNA的脫氧核酶209

10.1.3催化卟啉金屬化的DNA210

10.2兩種剪下RNA的脫氧核酶的故事212

10.2.11023和817的體外篩選及二級結構212

10.2.21023用於基因治療213

10.2.31023的其他用途216

10.2.4817的功用217

10.2.5體外篩選實驗中817的重現219

10.3其他的脫氧核酶222

10.3.1其他剪下RNA的脫氧核酶222

10.3.2催化RNA連線的脫氧核酶223

10.3.3催化DNA剪下的DNA核酶224

10.3.4修飾DNA的DNA核酶226

10.3.5催化磷酸二酯鍵形成的DNA酶229

10.3.6催化胸腺嘧啶二聚體修復的脫氧核酶230

10.3.7具有外來功能的DNA酶231

10.4展望233

參考文獻234

第4篇套用和展望

第11章核酸適配體作為藥理探針的體內外靶標確認240

P.Shannon Pendergrast 和 David M.Epstein著；李玉娟 譯

11.1引言240

11.2核酸適配體作為藥理探針用於靶標確認240

11.3基因或mRNA敲除對靶標確認的限制242

11.4核酸適配體用於靶標確認244

11.4.1適配體用於細胞內靶標的體外確認245

11.4.2適配體用於細胞內外靶標的體內確認245

11.5小結250

參考文獻251

第12章用於蛋白功能分析和藥物發現的內配體254

Michael Famulok 和 Günter Mayer著；屈鋒 譯

12.1引言254

12.2內配體：細胞內的適配體255

12.3適配體作為抑制劑篩選的探針257

12.4小結260

致謝260

參考文獻260

第13章適配體酶：別構核酶和脫氧核酶作為生物感測器263

Scott M.Knudsen 和 Andrew D.Ellington 著；屈鋒 譯

13.1引言263

13.1.1寡核苷酸依賴的適配體酶264

13.1.2非核酸效應子的激活264

13.2通過合理設計和體外篩選的方法創建適配體酶265

13.2.1合理設計適配體酶265

13.2.2體外適配體酶篩選266

13.3效應子激活268

13.4適配體酶結構和功能的多樣性272

13.5生物學和生物技術套用中的適配體酶274

13.5.1作為生物感測器的適配體酶274

13.5.2適配體酶作為分子的邏輯門277

13.5.3適配體酶陣列278

13.5.4適配體酶的體內套用278

致謝280

參考文獻280

第14章適配體轉化為小分子先導化合物282

Andreas Jenne 著；李玉娟 譯

14.1引言282

14.2合理的藥物設計282

14.3生化篩選283

14.4小結290

致謝291

參考文獻291

第15章適配體作為配體在親和色譜和毛細管電泳中的套用294

Eric Peyrin 著；趙新穎 譯

15.1引言294

15.2親和液相色譜（和電色譜）中的配體295

15.2.1親和色譜的一般原理295

15.2.2蛋白質的分離/純化296

15.2.3小分子的分離298

15.2.4特定靶標的手性分離301

15.3親和毛細管電泳中適配體作為配體303

15.3.1親和毛細管電泳的一般原理303

15.3.2親和毛細管電泳用於靶蛋白的定量分析304

15.4小結308

參考文獻309

第16章用於體內成像的適配體311

Sandra Borkowski 和 Ludger M.Dinkelborg 著；屈鋒，樂勝鋒 譯

16.1體內成像：模式和要求311

16.1.1成像模式311

16.1.2成像的要求313

16.2體內成像用適配體314

16.2.1體內套用的寡核苷酸性質314

16.2.2不同類型的靶向試劑比較316

16.2.3用於成像的適配體靶316

16.3適配體的標記318

16.3.1SPECT所用的同位素318

16.3.2PET所用的同位素320

16.4SPECT和PET成像中的寡核苷酸321

16.4.1非靶向適配體321

16.4.2反義寡核苷酸322

16.4.3靶向適配體323

16.5展望326

參考文獻326

第17章治療用適配體的性質328

Sharon T.Cload，Thomas G.McCauley，Anthony D.Keefe，Judith M.Healy和

Charles Wilson著；李玉娟 譯

17.1引言328

17.2適配體靶標328

17.2.1細胞表面的靶標330

17.2.2細胞內的靶標332

17.2.3細胞外靶標332

17.3適配體結合的特點335

17.3.1適配體的親和性335

17.3.2適配體的特異性336

17.3.3適配體結合動力學337

17.3.4結合與功能339

17.4適配體的化學修飾340

17.4.12′ 修飾340

17.4.23′端加帽341

17.4.35′端加帽342

17.4.4磷酸鹽取代342

17.4.5鹼基修飾343

17.4.6聚乙二醇344

17.4.7脂質標籤344

17.4.8肽標籤345

17.5適配體的給藥途徑345

17.5.1非腸道345

17.5.2與生物製劑比較346

17.6替代適配體製劑的機遇346

17.6.1儲庫給藥346

17.6.2局部給藥347

17.6.3口服給藥347

17.6.4肺部給藥348

17.6.5眼部給藥349

17.7適配體的藥物動力學和生物分布349

17.7.1關鍵的藥物動力學和生物分布的參數350

17.7.2控制適配體藥物動力學和代謝穩定性的因素351

17.7.3適配體的生物分布354

17.7.4適配體定量的生物分析方法355

17.7.5適配體的藥物動力學和生物分布性質的總結356

17.8適配體的毒性曲線357

17.9適配體的免疫原性358

17.10適配體的生產358

17.10.1對適配體合成成本的貢獻359

17.10.2生產設施359

17.10.3化學合成與生物合成的優勢359

17.11研發中的治療用適配體實例360

17.11.1抗凝血酶適配體ARC183360

17.11.2抗補體C5的適配體ARC187361

17.11.3L選擇素的適配體362

17.11.4PDGFBB 的適配體 ARC127363

17.12治療用適配體的前景364

參考文獻365

第18章鏡像異構體的治療套用——進化篩選技術中手性原理的運用377

Dirk Eulberg，Florian Jarosch，Stefan Vonhoff和Sven Klussmann 著；呂雪飛 譯

18.1進化篩選技術377

18.2手性379

18.2.1自然中手性的發現和闡釋379

18.2.2鏡像蛋白380

18.2.3鏡像核酸381

18.3鏡像進化技術：篩選反射382

18.3.1D型肽適配體382

18.3.2功能性的鏡像寡核苷酸：Spiegelmers384

18.4小結396

致謝397

參考文獻397

第19章臨床套用：抗VEGF適配體402

Tony Realini，Eugene W.M.Ng和Anthony P.Adamis著；屈鋒，陳爾凝 譯

19.1引言402

19.2VEGF選為靶標的理由402

19.3VEGF與人類疾病404

19.3.1癌症404

19.3.2年齡相關的黃斑變性404

19.3.3糖尿病性視網膜病變407

19.4VEGF治療的兩難境地407

19.4.1VEGF與人體生理407

19.4.2克服兩難困境408

19.5VEGF抑制劑409

19.6進入Macugen410

19.6.1臨床前研究411

19.6.2Macugen的臨床試驗411

19.7展望415

參考文獻416

後記我的個人觀點：15年後的適配體420

Larry Gold著;屈鋒譯

開篇420

第一個專利421

NeXagen和NeXstar的創立421

診斷成像422

適配體治療藥物422

SomaLogic公司基於適配體的診斷試劑423

天然的適配體存在嗎？424

總結——藥物開發的SELEX一課424

致謝425

參考文獻426