尿嘧啶核苷用于细胞

直接测定DNA合成是细胞增殖检测的最准确方法之一，是测定物质毒性、评估药物安全评价、细胞健康的基本方法，其中以前常用的方式是利用胸腺嘧啶核苷酸类似物&mdash &mdash BrdU进行检测。因为在细胞周期的S期，和细胞一起孵育的BrdU能掺入DNA分子中，再结合BrdU抗体与渗入DNA的BrdU特异性结合，就能够检测到DNA复制活跃的细胞。 但BrdU有一大缺点，就是需要变性DNA后才能与抗体结合，但这就破坏了DNA双链结构，影响了其他染料的结合染色，导致染色弥散，准确性降低等问题。哈佛大学医学院细胞生物学家Adrian Salic就认为：&ldquo 为了能够暴露BrdU的抗原表位，必须用高浓度的盐酸，乙酸或酶解，但经历了如此严重的处理后，细胞原本精巧细致的结构在显微镜下就变得惨不忍睹了。&rdquo 事实上，现在有一种新的检测方法能避免这种情况的发生&mdash &mdash EdU检测。EdU （5-乙炔基-2&rsquo 脱氧尿嘧啶核苷）也是一种胸腺嘧啶核苷类似物，但其连有的炔羟基团在天然化合物中很少见，在细胞增殖时能够插入正在复制的DNA分子中，基于EdU与染料的共轭反应可以进行高效快速的细胞增殖检测分析，可以有效地检测处于S期的细胞百分数。与传统的免疫荧光染色（BrdU）检测方法相比，更简单，更快速，更准确。EdU只有BrdU抗体大小的1/500，在细胞内更容易扩散，不需要严格的样品变性（酸解、热解、酶解）处理，有效地避免了样品损伤，有助于在组织、器官的整体水平上观测细胞增殖的真实情况，具有更高的灵敏度和更快的检测速度。Adrian Salic特别强调：&ldquo 与传统的免疫荧光染色不同，EdU反应能在几分钟内完成，且不需要进行严格的样品变性处理，使得组织成像更简单易行。&rdquo 细胞增殖检测方法基于EdU与Apollo？荧光染料的完美结合准确检测新合成的DNA，简单，快速，准确。这种检测方法非常快速，且只需简单的几个步骤，因此也适用于高通量筛选试验，如在药物筛选中检测加药后细胞的活力。 图1 BrdU 与EdU 检测原理示意图 表1 BrdU 与EdU 检测优缺点比较 图2 BrdU 需要DNA 变性后才能与抗体结合，导致BrdU、Hoechst 染色弥散，边缘模糊不清； 而EdU 边缘清晰完整，检测更灵敏、更准确EdU可以检测新合成的DNA，而EU则可以检测新合成的RNA。EU是一种尿嘧啶核苷类似物，能够在RNA转录时期代替尿嘧啶（ U ）渗入正在合成的RNA分子，基于EU与Apollo？荧光染料的特异性反应进行RNA检测。EU能够在体内和体外水平检测时间和空间上RNA合成的变化，能够更方便地研究RNA转录位点，结合相关抗体标记能够检测与RNA有相互作用的蛋白。结合EdU和EU进行检测新合成的DNA和新合成的RNA，可以深入开展细胞增殖、细胞周期、细胞毒性、DNA复制及修复、信号通路等方面的研究。

生物科技公司Moderna Therapeutics 雄心勃勃，且资金充沛。图片来源：Paddy Mills 　　在两年半前的一次早餐会上，英国制药巨头阿斯利康有限公司新任首席执行官Pascal Soriot和一家药物研发公司合作达成他上任后的第一单生意。Soriot的合作对象是美国马萨诸塞州坎布里奇市一家名不见经传的生物技术公司&mdash &mdash Moderna Therapeutics。这单生意的价值达到4.2亿美元，如此高额的投资对于一种刚开始起步的制药技术来说可谓不同寻常，况且这项技术还未经过临床人体测试。 　　对于Moderna来说，这笔投资仅是大量巨额投资中的一项。仅在今年1月，该公司就宣布从若干投资者处获得5亿美元，如此一来，该公司投资额已超过10亿美元，使其成为迄今为止药物研发领域接受风险投资额最高的私人公司。 　　&ldquo 这件事可谓口口相传。&rdquo 坎布里奇市一家生物技术孵化器LabCentral公司经营者Johannes Fruehauf说，&ldquo 有这样巨大、惊人的投资额度，人们很难不这么做。&rdquo 　　投资人对Moderna公司技术的青睐十分明显，然而，尽管该公司商业投资遥遥领先，却仍面临许多棘手难题，如技术专利问题及其他基于信使核糖核酸的药物曾面临的问题等。究竟该公司能否实现其预期产值，对此分析人士也难作定论。 　　诞生缘由 　　从研究论文看，信使核糖核酸疗法似乎很容易。如果一些人不能产生某种足够的蛋白或是制造出一种有损伤的蛋白，医生就可以给患者的细胞中注射具有替代性蛋白编码的信使核糖核酸。和其他基因疗法类似，这样做可以避免基因发生永久性混乱。 　　然而，如果说生长因子、抗体以及其他复杂的&ldquo 生物&rdquo 药物可以通过生物工程细胞安全制造，这种药物却仅局限于分泌分子。另外，基于信使核糖核酸的疗法还可以制作出作用于细胞内部的蛋白。&ldquo 信使核糖核酸的释放可以重新改造人体作为一个加工厂处理许多疾病的方式。&rdquo 马萨诸塞州波士顿RA资本管理公司合作人Peter Kolchinsky说，该公司也是Moderna的投资方之一。 　　但是信使核糖核酸的释放却有些棘手。上世纪90年代初期，科学家首次证实，注射信使核糖核酸之后，可以在小鼠和大鼠体内产生相应的蛋白。但是蛋白的产量却很低，而且转瞬即逝 另外信使核糖核酸似乎也过于不稳定，不适宜制药。数年后，研究人员还认识到，实验室合成的信使核糖核酸在注射后，容易激发生物体免疫攻击，产生潜在的危险性炎症应答。 　　Moderna的相关技术可以追溯至波士顿儿童医院干细胞生物学家Derrick Rossi的实验室研究。Rossi与博士后Luigi Warren曾尝试利用信使核糖核酸让细胞&ldquo 多能化&rdquo ，从而产生许多细胞种类。为了避免引起炎症，研究人员用假尿嘧啶核苷和5-甲基胞苷替换了核糖核酸分子的一些构建模块&mdash &mdash 即核苷的尿苷和胞嘧啶核苷。这让核糖核酸变得更像一种可以自我复制的细胞，因为诸如细菌等入侵者通常不能在其自身的信使核糖核酸上产生类似的基因编辑。 　　这种办法生效了。2010年，Rossi和Warren对其生成干细胞的方法进行了注册，相关成果随后也发表于学术期刊。这项工作引起了麻省理工学院一位卓有声望的生物工程师和企业家Robert Langer以及坎布里奇市科技投资公司旗舰风险公司执行官Noubar Afeyan的注意。随后，Rossi和Langer又拉来了另外一位合作者&mdash &mdash 原哈佛大学医学院心血管生物学家、现在瑞典斯德哥尔摩卡罗林斯卡学院工作的Kenneth Chien。 　　2010年9月，他们携手创建了Moderna。公司的名字源自Rossi的想法&mdash &mdash 一个由&ldquo 修饰&rdquo (modified)与&ldquo 核糖核酸&rdquo (RNA)构成的混合词。 　　专利拦路 　　然而，Moderna头上却仍然悬着一把&ldquo 达摩克利斯之剑&rdquo ：专利权的纷争。 　　费城宾夕法尼亚大学遗传生物学家Katalin Karikó 和Drew Weissman发表的文章和Moderna的技术专利有很大重合性，Karikó 两人也曾利用假尿嘧啶核苷和5-甲基胞苷让试管和小鼠体内的信使核糖核酸在细胞防御系统面前几乎&ldquo 隐形&rdquo 。 　　Karikó 两人在2005年就申请了用于医疗目的的相关专利，而且还创建了一个叫作RNARx的公司，该公司曾收到美国政府小企业资助经费近90万美元。然而，部分出于研究人员和宾夕法尼亚大学在知识产权方面的争议，该公司的研究被终止，学校最终把知识产权出售给了威斯康星州一家名为Cellscript的企业。 　　Karikó 和Weissman的专利对Moderna构成了威胁。2010年，来自旗舰风险投资公司&mdash &mdash 当时参与孵化Moderna的公司之一 &mdash &mdash 的一项内部评估称，如果科学家不能研制出假尿嘧啶核苷和5-甲基胞苷的替代物，&ldquo 我们公司的技术可能会受到宾夕法尼亚州立大学的限制&rdquo 。 　　因此，Moderna需要找到一个回避该专利的方法，任务降临在该公司首个雇员Jason Schrum的头上。作为一名核酸生物化学家，Schrum开始检测同种类的修饰核苷。大多数修饰核苷都不适用，但最终Schrum仍然找到了一种假尿嘧啶核苷的变体：1-甲基假尿嘧啶核苷。去年美国专利商标局向Moderna授予了使用1-甲基假尿嘧啶核苷的专利，然而宾夕法尼亚大学同样获准了一项包括许多同样核苷在内的专利。 　　尽管如此，知识产权的不确定性并未冲击到Moderna的投资人。Kolchinsky表示，专利纷争可能是一个痛苦且昂贵的过程，但问题最终一定会被解决，Moderna也有充足的时间做这一切。另外，该公司银行账户中的经费也很充足&mdash &mdash 据推测达9亿美元，因此它可以继续签约制药合作伙伴，同时在科学投资上比其竞争对手花费更多钱。单说今年，Moderna计划在研究和开发领域分别投资1.5亿美元和1.8亿美元，远超其他信使核糖核酸制药公司。 　　&ldquo 引资之王&rdquo 　　Moderna蓬勃的发展动力离不开一个人：董事长Sté phane Bancel。&ldquo 他是一个销售天才。&rdquo 2012年前一直在该公司工作的科研人员Justin Quinn说。 　　在担任法国诊断技术公司bioMé rieux执行官5年之后，Bancel在2011年7月加入该公司，Afeyan曾反复邀请他经营旗舰风险投资旗下的公司，但是Bancel对大多数项目&mdash &mdash 聚焦某一疾病领域的新公司&mdash &mdash 都不感兴趣。 　　而Moderna有所不同：它具有重建制药行业的前景。对于能说会道、衣着时尚的Bancel来说，&ldquo 如果一家新公司具有真正的发展潜力，就很值得迎接职业挑战、面对薪资减少的风险。&rdquo Afeyan说。 　　Bancel很快就开始集资，并且获得极大成功，尽管一些人质疑他的策略。此前在Moderna公司工作的一名不愿具名的科研人员表示，Bancel利用他的领袖气质和人际关系以及公司合作者的影响力让投资人和合作方相信Moderna平台的独特之处，但同时却会掩饰公司面临的任何知识产权威胁。&ldquo 他做了大量的工作说服投资人向公司投资，但是其中的技术可以说100%都不是该公司自有的。&rdquo 这位前员工说。 　　作为回应，Bancel表示，Moderna的投资者在开支票之前当然作过考察：&ldquo 现在的投资公司都很精明。&rdquo 他表示，通过自主研发以及合作研究，Moderna正在探索若干项技术，但是他并未透露具体细节。&ldquo 18个月后，人们看到我们的专利后，就会知道我们现在在做什么。&rdquo 他颇有些神秘地说。 　　&ldquo 猛兽&rdquo 之志 　　在井然有序的坎布里奇总部，Moderna正在从头到脚购置最佳仪器武装自己的实验室。在其三楼的一个实验室中坐落着一套Bancel称之为&ldquo 猛兽&rdquo 的设备：一套每天可以在非人灵长类动物中进行50例信使核糖核酸检测的自动化设备。Moderna还计划今年晚些时候购置一套可以检测人类信使核糖核酸的设备。 　　目前，Moderna的资源可以使该公司启动50多项药物研发项目，其中大多数是和外部制药合作者共同进行，但是该公司也有3个资助经营的研发公司： Onkaido、Valera和Elpidera，分别聚焦于肿瘤、传染病和罕见病。Bancel表示，Valera将首先进行临床转移转化。&ldquo 到2016年，我们将会拥有现存所有治疗领域的试点。&rdquo 他说。 　　但是并不能保证临床上的成功。&ldquo 它可能会像此前信使核糖核酸研究领域遇到的问题一样。&rdquo 一位独立的生物技术咨询师James McSwiggen说，他曾与Moderna作过合作。其他基于核糖核酸的药物，如反义疗法、核糖核酸干预以及近来的微型核糖核酸技术等均达到了产业繁荣期，但是在展示其真正的临床效用之前，它们也曾经历过许多艰难困境。 　　Bancel对Moderna的期望是，让该公司迅速成长壮大，使其他任何对手都不足以与其抗衡。&ldquo 我们希望的公司是，如果你想从现在开始在5年之内研制出一种信使核糖核酸类的药物，你一定会拿起电话打给Moderna。&rdquo Bancel说，对于批评人士的观点，他表示：&ldquo 我知道一些人不高兴，我了解一些人很妒忌，我明白这一切，但这就是生活。&rdquo

特邀：海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室林桓课题组林桓，海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室副研究员，海南省领军人才，《Marine Resource and Ocean Science》编委，曾任岛津制作所全球应用技术开发中心副主任研究员。主要研究领域是基于高分辨以及定量质谱的核酸修饰生理学意义挖掘，在《Nature Communications》，Nucleic Acid Research等重要期刊发表过论文。 海南大学林桓副研究员团队以模式蓝藻（细长聚球藻 PCC 7942）为研究对象，与岛津广州分析中心展开深入合作，通过微流液相色谱仪（岛津Nexera Mikros）结合三重四级杆质谱仪（岛津LCMS-8050）建立了一套兼具灵敏度与特异性的修饰核苷鉴定方法，并对细长聚球藻PCC 7942 总tRNA组分中存在的修饰核苷进行了检测分析，为修饰核苷的鉴定提供了一种新思路。成果于2021年7月发表在《Journal of Separation Science》。 生物体中的RNA元件，包括核糖体RNA，信使RNA，转运RNA，剪接体RNA，miRNA等，均需要经历转录后修饰成为成熟的分子。这些修饰对实现RNA元件的功能至关重要，例如新冠病毒mRNA疫苗必须在RNA链上掺入修饰核苷才能在人体中稳定表达。RNA转录后修饰主要发生在核糖核苷（A/U/C/G）的碱基或核糖上，以共价结合的方式连接一个或多个化学基团。近年研究表明RNA修饰种类和修饰率的变化参与到RNA代谢及功能实现的全过程，具有重要生理学意义[1-5]。 ☆ 新思路 ☆ 分析方法灵敏度提高有三种途径：• 更高效的前处理技术以实现目标物的富集和基质/杂质的清除；• 更优越的分离手段，得到更纯、更集中流出的色谱峰以提高目标物的瞬间浓度；• 更先进的检测技术以提高目标物信号响应。 目前质谱仪因其通用性高、选择性好和灵敏度高，是主流的检测技术，其中，灵敏度是评价质谱等级的重要指标之一。质谱仪的灵敏度受多方面影响，其中可以通过降低进入离子源的液流，有效提高离子化效率，从而较大提高质谱检测灵敏度。如目前比较常见的Nano液相、Micro液相和Semi-micro常规分析型液相，我们来做一下性能对比。 三种液相系统的性能对比 Nano液相的液量有利于LCMSMS离子源的去溶剂化，从而提高质谱响应。但是由于液流过低，其通量较小；另外，纳升级的流速对输液泵的精度和脉冲控制要求非常高，再加上其精密的部件对使用和维护都有很高的要求。故现有技术下Nano液相的通量和稳定性无法达到常规分析型液相的水平。而Semi-micro常规型液相已成为相对成熟、应用范围相对广的分析手段，这两项指标非常优异，但是，由于较大的液流，导致进入离子源，尤其是ESI离子源之后，其去溶剂化效率较差，灵敏度无法进一步提高。 Micro液相的色谱柱内径介于0.1~1.0 mm之间，流速一般介于1~100 μL之间，这一流速下的仪器稳定性、耐用性和维护性都比Nano液相有大幅提高，通量接近半微量分析型液相，而其去离子效率相比半微量分析型液相大大提高。因此Micro液相没有明显的短板，理论上是三种液相中相对理想的技术。 岛津微流量液相质谱联用系统 Mikros-LC+LCMS-8060 ☆ 成果快览 ☆ • 在本研究中研究人员报道了尿苷及其衍生物在低温及高有机溶剂的条件下容易析出造成信号变动，指出了利用HILIC等亲水原理的核苷酸LCMS分析中需要注意的问题。• 利用岛津微流量液相质谱联用系统测试了总tRNA组分中24个核苷标样，确定了各个标样所用的母离子和子离子，以及在HILIC色谱柱中的保留时间。通过多反应监测及保留时间，可以区分这些修饰核苷及其同分异构体。 核苷标样微流量液质系统色谱图 • 测定了24个修饰核苷标样的最小检出量，运用微流液相色谱—三重四极杆质谱联用仪检出下限为0.1-1 fmol，而一般用于鉴定修饰核苷所用的半微流液相色谱—三重四极杆质谱联用仪的检出下限为1-10 fmol。• 运用上述建立的方法，对细长聚球藻 PCC 7942中的修饰核苷进行定量检测，仅需含25 ng总tRNA组分的样品，即可得到清晰的质谱结果，而在传统的半微流液相色谱—三重四极杆质谱联用仪上得到相同结果，至少需要含100 ng的总tRNA组分的样品[6, 7]。 细长聚球藻样品图 ☆ 专家观点 ☆ 海南大学林桓副研究员：修饰核苷中尿嘧啶核苷及其衍生物电离困难及各修饰核苷同分异构体之间不易区分的特点一直是质谱检测的难点。同时常规的半微流液相色谱—三重四极杆质谱联用仪检出限较高，需要的样品量较大，这也是不易提取的样品检测的制约条件之一。该研究依托岛津公司强大的质谱分析平台，首次使用微流液相色谱—三重四极杆质谱联用仪分离鉴定总tRNA组分中的修饰核苷，灵敏度较半微流液相色谱——三重四极杆质谱联用仪提高了10倍以上。该方法可支持表观转录组学的发展。 【参考文献】[1] Lin H, Miyauchi K, Harada T, Okita R, Takeshita E, Komaki H, Fujioka K, Yagasaki H, Goto Y-i, Yanaka K, Nakagawa S, Sakaguchi Y, Suzuki T. CO2-sensitive tRNA modification associated with human mitochondrial disease. Nature Communications. 2018 9: 1875.[2] Lian H, Wang Q H, Zhu C B, Ma J, Jin W L. Deciphering the Epitranscriptome in Cancer. Trends in Cancer. 2018: S2405803318300219.[3] Schimmel, Paul. The emerging complexity of the tRNA world: mammalian tRNAs beyond protein synthesis. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2017.[4] Thomas J M, Batista P J, Meier J L. Metabolic Regulation of the Epitranscriptome. Acs Chemical Biology. 2019.[5] Chionh Y H, Mcbee M, Babu I R, Hia F, Lin W, Zhao W, Cao J, Dziergowska A, Malkiewicz A, Begley T J. tRNA-mediated codon-biased translation in mycobacterial hypoxic persistence. Nature Communications. 2016 7: 13302.[6] Kimura S, Dedon P C, Waldor M K. Comparative tRNA sequencing and RNA mass spectrometry for surveying tRNA modifications. Nature Chemical Biology. 2020.[7] Su D, Chan C T Y, Gu C, Lim K S, Chionh Y H, Mcbee M E, Russell B S, Babu I R, Begley T J, Dedon P C. Quantitative analysis of ribonucleoside modifications in tRNA by HPLC-coupled massspectrometry. Nature Protocols. 2014 9: 828-841. 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。