Nature系列綜述：譚蔚泓院士解讀改寫醫(yī)學(xué)未來的功能性核酸——適配體、脫氧核酶

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

在傳統(tǒng)認知中，核酸（DNA 和 RNA）只是遺傳信息的載體。實際上，單鏈核酸可通過堿基互補配對折疊成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，從而獲得特殊功能。

簡單來說，就像一張紙通過不同的折疊方式變成紙飛機或者紙船，單鏈核酸可通過自我折疊形成具有識別或催化功能的分子，這些折疊形成了特定的功能位點，導(dǎo)致了功能性核酸（functional nucleic acid，F(xiàn)NA）的出現(xiàn)，它們能與生物分子精確相互作用，執(zhí)行遺傳編碼之外的一系列生物功能，包括充當催化劑、傳感器、調(diào)節(jié)劑和治療劑。

近日，中國科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所/浙江省腫瘤醫(yī)院譚蔚泓院士、渠鳳麗研究員、方曉紅研究員等在 Nature 旗下綜述期刊Nature Reviews Bioengineering上發(fā)表了題為：Molecular bioengineering of functional nucleic acids 的綜述論文。

該綜述強調(diào)了功能性核酸（FNA）在推進分子生物學(xué)和精準醫(yī)學(xué)方面的變革性影響，著重闡述了其結(jié)構(gòu)多樣性和功能潛力，探討了關(guān)鍵功能性核酸——適配體（Aptamer）和脫氧核酶（DNAzyme）的生產(chǎn)方法、結(jié)構(gòu)原理和生物學(xué)作用，以及旨在優(yōu)化其穩(wěn)定性、親和力和催化效率的工程策略。此外，該綜述還探討了 FNA 的臨床試驗、面臨的挑戰(zhàn)以及前景，該綜述將其定位為強大的分子工具，可用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，有望解決精準醫(yī)療、靶向治療和診斷方面的復(fù)雜難題。

人體是一個由分子機器組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，每一種分子機器都被設(shè)計用來執(zhí)行對健康和生存至關(guān)重要的特定功能。70 多年前，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克解析了DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)，揭示了遺傳信息存儲和復(fù)制的機制，標志著分子生物學(xué)的誕生。這一發(fā)現(xiàn)為確立遺傳學(xué)的“中心法則”（遺傳信息從 DNA 到 RNA 再到蛋白質(zhì)的流動）鋪平了道路，該法則指的是遺傳信息從 DNA 到 RNA 再到蛋白質(zhì)的流動。

近年來，RNA 相關(guān)研究連續(xù)兩次獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎——mRNA 疫苗的研發(fā)（2023 年獲獎）、miRNA 的發(fā)現(xiàn)及其在轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控中的作用（2024 年獲獎）。這些成就突顯了基于核酸的分子生物工程在理解生物系統(tǒng)和推進疾病治療應(yīng)用方面的影響。

DNA和RNA是兩種主要的核酸類型，由核苷酸的線性排列構(gòu)成，每個核苷酸都包含五種堿基中的一種：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、DNA 中的胸腺嘧啶（T）以及 RNA 中的尿嘧啶（U）。這些堿基通過沃森-克里克堿基配對（G≡C 和 A=T/U），保證了核酸實現(xiàn)高保真的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。這種分子間的相互作用也是基于核酸的治療手段的分子基礎(chǔ)，包括反義寡核苷酸（ASO）siRNA 和 miRNA，它們通過互補堿基配對靶序列來調(diào)節(jié)基因表達。有趣的是，沃森-克里克堿基配對也會發(fā)生在單鏈核酸（單鏈 DNA 或單鏈 RNA）內(nèi)部，驅(qū)動形成諸如發(fā)夾、莖環(huán)、G-四鏈體和假結(jié)等多樣的二級結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)熱力學(xué)穩(wěn)定性，這些分子進一步折疊成明確的三維構(gòu)象，形成特定的結(jié)合口袋或催化位點，從而實現(xiàn)精確的分子識別和相互作用。這些具有特定功能特性的結(jié)構(gòu)明確的單鏈核酸統(tǒng)稱為功能性核酸（functional nucleic acid，F(xiàn)NA）。

與傳統(tǒng)的小分子或蛋白質(zhì)不同，功能性核酸（FNA）——適配體（Aptamer）和脫氧核酶（DNAzyme），能夠通過理性設(shè)計來識別和與特定序列或結(jié)構(gòu)基序相互作用，從而使其能夠作為靶向配體、催化劑、傳感器、調(diào)節(jié)劑和治療劑發(fā)揮作用。適配體是單鏈的 DNA 或 RNA 寡核苷酸，能夠選擇性地識別并結(jié)合預(yù)定目標，具有高度特異性，因此被稱為“化學(xué)抗體”。核酸獨特的折疊模式還能賦予其酶模擬特性，例如脫氧核酶，這是一種單鏈 DNA 分子，能夠在特定條件下（例如金屬離子輔助）切割靶標 RNA 或 DNA，或催化其他生化反應(yīng)，打破了只有蛋白質(zhì)和 RNA 具有催化功能的傳統(tǒng)認知。

功能性核酸（FNA）的結(jié)構(gòu)和功能本質(zhì)上由核苷酸的精確序列決定，這使其具有線性可編程性，便于人工合成。此外，核酸的可編程性還使其能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)工程、化學(xué)修飾或人工堿基無縫整合到其序列中。這種能力提升了功能化納米顆粒的功能精細度，甚至能夠創(chuàng)造出具有獨特功能的分子。

功能性核酸（FNA）具有特異性、可編程性和結(jié)構(gòu)多樣性。在治療應(yīng)用中，適配體（Aptamer）能夠直接與受體結(jié)合，并通過激動或拮抗機制調(diào)節(jié)其功能。當與藥物分子、納米顆粒或成像劑結(jié)合時，它們還可以作為智能載體實現(xiàn)靶向遞送。脫氧核酶（DNAzyme）通過 RNA 切割催化活性實現(xiàn)基因特異性調(diào)控。在診斷方面，適配體因其高親和力和廣泛的目標范圍，成為疾病生物標志物檢測、體外診斷和體內(nèi)成像的理想工具。脫氧核酶由于其底物特異性和對金屬離子的依賴性，在金屬離子、核酸生物標志物、蛋白質(zhì)和小分子的檢測方面具有優(yōu)勢。此外，適配體-脫氧核酶雜交系統(tǒng)結(jié)合了目標識別和信號放大或治療功能，實現(xiàn)了集成的多模態(tài)診療。通過融合跨學(xué)科技術(shù)，例如 AI 驅(qū)動的分子設(shè)計、智能納米技術(shù)和高通量測序，F(xiàn)NA 在個性化醫(yī)療、智能藥物遞送、精準基因編輯和超靈敏診斷等方面具有巨大的潛在應(yīng)用前景。

在這篇綜述中，作者們描述了功能性核酸（FNA）的特性（穩(wěn)定性、易于合成以及易于進行化學(xué)修飾），這些特性有助于理性設(shè)計和定制具有多種生物功能的序列。首先，作者們闡明了兩種關(guān)鍵功能性核酸——適配體（Aptamer）和脫氧核酶（DNAzyme）的生產(chǎn)方法、結(jié)構(gòu)原理和生物學(xué)作用。隨后，探討了優(yōu)化 FNA 分子特性（包括穩(wěn)定性、親和力和催化效率）的關(guān)鍵設(shè)計和工程策略。最后，介紹了這些 FNA 的臨床試驗和相關(guān)挑戰(zhàn)，以討論生物工程師如何為各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用定制基于 FNA 的分子工具。

該綜述的核心要點：

• 功能性核酸（FNA）通過其核苷酸堿基的互補配對折疊形成獨特的二級和三級結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生諸如特異性靶標識別、分子結(jié)合和催化活性等生物學(xué)功能。

• 適配體（Aptamer）是功能性核酸（FNA）的一種，是人工合成的寡核苷酸序列，以其對多種靶標的高特異性和親和力而著稱。

• 脫氧核酶（DNAzyme）是通過體外指數(shù)富集配體系統(tǒng)進化而生成的具有催化活性的 DNA 分子，能夠執(zhí)行諸如 RNA 和 DNA 的切割及連接等特定的生化反應(yīng)。

• 通過指數(shù)富集優(yōu)化配體系統(tǒng)進化、結(jié)構(gòu)工程、化學(xué)修飾和人工堿基摻入以及先進的偶聯(lián)和遞送等工程策略，已獲得具有靶向遞送、精準基因調(diào)控、敏感分子診斷和多功能診療等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力的功能性核酸（FNA）。

• 功能性核酸（FNA）的臨床轉(zhuǎn)化正在推進中，目前已有兩種適配體藥物獲批（Macugen、Izervay），前者于 2004 年獲批治療濕性年齡相關(guān)性黃斑變性，后者于 2023 年獲批治療年齡相關(guān)性黃斑變性繼發(fā)?地圖樣萎縮。還有脫氧核酶（DNAzyme）處于臨床試驗階段；但目前仍存在一些障礙，包括核酸酶降解、遞送效率以及監(jiān)管復(fù)雜性。

FNA 的結(jié)構(gòu)和類型

適配體的選擇、結(jié)合與應(yīng)用

脫氧核酶的酶學(xué)原理及生物學(xué)功能

FNA 的設(shè)計和工程策略

FNA 的結(jié)構(gòu)和化學(xué)修飾

適配體和脫氧核酶的臨床試驗

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s44222-025-00361-y