功能核酸概念的內(nèi)涵與外延

許文濤， 楊敏， 朱龍佼， 張洋子， 李宏宇， 杜再慧， 楊文平

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)營養(yǎng)與健康系，食品精準(zhǔn)營養(yǎng)與質(zhì)量控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083

核酸是所有已知生命體中必不可少的組成物質(zhì)之一，具有信息儲存和遺傳信息傳遞的功能，在生物體系的各個(gè)代謝過程，如遺傳變異、生長發(fā)育以及蛋白質(zhì)合成等起著重要的作用。1953 年，堿基互補(bǔ)配對原理和DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了分子生物學(xué)時(shí)代，因此對DNA 的研究也從遺傳功能擴(kuò)展到分子水平。在20世紀(jì)90年代，非遺傳功能的核酸吸引了越來越多的研究人員的興趣，例如有機(jī)染料的RNA 適配體和凝血酶的DNA 適配體。隨著研究的深入，核酸良好的疏水/親水性、易于修飾的官能團(tuán)、靈活的結(jié)構(gòu)、高效的催化能力以及構(gòu)建各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和模式的潛力被漸漸挖掘，這促使研究人員進(jìn)一步將核酸引入納米技術(shù)，為核酸與納米材料的結(jié)合奠定了良好的基礎(chǔ)，并大大拓寬了它們的應(yīng)用領(lǐng)域。

隨著以核酸為主題的科學(xué)研究的逐步深入，其紛繁復(fù)雜的功能令人嘆為觀止，在生物傳感、生物成像、靶向遞送、疾病治療等方面應(yīng)用廣泛。然而，追本溯源，關(guān)于功能核酸最基本的問題——功能核酸這一概念還沒有明確的界定，因此，有必要對功能核酸的屬性和范圍進(jìn)行探討。故本文基于目前對功能核酸研究的應(yīng)用范圍，提出功能核酸的概念，并從這一概念的內(nèi)涵與外延為立足點(diǎn)全面解析功能核酸，歸納總結(jié)其特點(diǎn)以及應(yīng)用價(jià)值，從而使研究者對功能核酸有一個(gè)明確的認(rèn)識，以期為進(jìn)一步探索核酸的功能提供理論基礎(chǔ)，促進(jìn)該領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。

1 功能核酸的內(nèi)涵

核酸作為細(xì)胞最基本的成分之一，攜帶著自然界中最重要的遺傳信息，在機(jī)體的生長、發(fā)育和繁殖過程中扮演著舉足輕重的角色。除此之外，人們還發(fā)現(xiàn)核酸具有許多有趣的功能，如，DNA酶可以催化特定位點(diǎn)上RNA 底物鏈的斷裂或連接，而適配體，即單鏈寡核苷酸，可以與不同類型的靶分子特異結(jié)合。隨著非遺傳核酸家族不斷發(fā)展，“功能核酸”的概念應(yīng)運(yùn)而生，功能核酸是一類具有特殊結(jié)構(gòu)、執(zhí)行特定生物功能的核酸分子及核酸類似物的統(tǒng)稱。功能核酸最重要的特征是全能性，它具有許多獨(dú)特的屬性，包括可編程性、可裁剪性、可修飾性、生物相容性、分子識別特異性、刺激響應(yīng)性和組裝尺度可控性等；此外，核酸來源于多種天然核苷酸及核苷酸類似物，易于合成，合成成本逐年降低；核酸結(jié)構(gòu)具有多樣性，可以與各種靶標(biāo)高度兼容，包括無機(jī)分子(如金屬離子和農(nóng)藥分子)、無機(jī)納米材料(如石墨烯)、生物分子(如蛋白質(zhì)和脂質(zhì))、生物系統(tǒng)(如微生物和培養(yǎng)細(xì)胞)和生物材料(如磁性體、脂質(zhì)體和外顯子)。因此，功能核酸在生物成像、生物傳感、生物醫(yī)學(xué)等重要領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。然而為了更加清楚地認(rèn)識功能核酸，我們不僅需要剖析其內(nèi)涵，還有必要了解其外延(圖1)。

圖1 功能核酸的內(nèi)涵與外延Fig.1 The connotation and extension of the functional nucleic acid

2 功能核酸的外延

2.1 適體（適配體）

核酸適體（aptamer）是經(jīng)體外篩選得到的一小段寡核苷酸序列，能與相應(yīng)的配體（如蛋白質(zhì)或代謝物等）特異且高效的結(jié)合。作為一類特殊的親和力工具，適體是受廣泛關(guān)注的功能核酸。適體具有獨(dú)特三級結(jié)構(gòu)的單鏈DNA（ssDNA）或RNA（ssRNA），最早在 1990 年由 Ellington[1]和Tuerk[2]發(fā)現(xiàn)并描述，能夠通過指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（systematic evolution of ligands by exponential enrichment, SELEX）篩 選 而 來 。 經(jīng) 典SELEX 過程包括多輪指數(shù)的擴(kuò)增和富集，即將靶物質(zhì)與體外合成的ssDNA 或ssRNA 隨機(jī)文庫孵育，洗脫除去未結(jié)合序列，并分離和擴(kuò)增結(jié)合序列，經(jīng)由多輪次重復(fù)性篩選及測序和驗(yàn)證，得到可用于研究的高親和力適體[3]。

適體能夠以高親和力和特異性結(jié)合多種分子靶標(biāo)，所以也被稱為“化學(xué)抗體”。其靶標(biāo)范圍十分廣泛，包括蛋白質(zhì)[4]、多肽[5]、小分子化合物[6]、金屬離子[7]、細(xì)胞[8]和細(xì)菌[9]等。雖然適體能夠像抗體一樣識別和結(jié)合相應(yīng)的靶標(biāo)，但是適體優(yōu)勢顯著，如生產(chǎn)時(shí)間短、制造成本低、無批次間差異、結(jié)構(gòu)靈活、易于化學(xué)修飾、熱穩(wěn)定性好、保存期較長以及免疫原性低等[10]。因此，適體以其獨(dú)特的優(yōu)勢在環(huán)境保護(hù)、食品安全以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，當(dāng)前適體的應(yīng)用依然存在著許多挑戰(zhàn)，包括“黑匣子”的SELEX 過程，以及適體的不穩(wěn)定性等。與此同時(shí)，挑戰(zhàn)也意味著機(jī)會，如發(fā)展模擬自然條件和復(fù)雜環(huán)境中的SELEX 方法及多種適體修飾手段，都將為適體領(lǐng)域帶來更加光明的未來。

2.2 核酸核酶

核酸核酶是一類具有催化活性的核酸，可以通過自身二級結(jié)構(gòu)與其他分子(如金屬離子)相互作用，從而具有類似于蛋白質(zhì)酶的催化活性[11]，可以依賴核酸序列的堿基排布和空間構(gòu)象進(jìn)而調(diào)控酶活。成熟的核酸體外擴(kuò)增技術(shù)和易修飾特殊的功能基團(tuán)是核酸核酶被廣泛應(yīng)用的主要原因。并且與蛋白酶相比，核酸核酶對于環(huán)境要求低，且具有明顯的耐高溫優(yōu)勢?；谶@些優(yōu)勢核酸核酶的研究不斷延伸、拓展，金屬離子核酶是最典型的代表。金屬離子核酶可以在金屬離子存在的條件下，催化核酸發(fā)生連接、切割、構(gòu)象變化等，是目前最主要的核酶。除此之外其他小分子物質(zhì)、微生物、毒素等特異性核酶也被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，包括：ATP、大腸桿菌[12]、嗜肺軍團(tuán)菌[13]、赭曲霉毒素A[14]等。隨著研究的深入，核酶催化反應(yīng)的種類也在不斷增加，目前關(guān)于核酶自身性質(zhì)的發(fā)展主要集中在新型核酶開發(fā)、穩(wěn)定酶活、提高特異性等領(lǐng)域。由于核酶良好的生物相容性和低毒特性，核酶除了本身的催化特性之外，還可以與其他材料進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)納米馬達(dá)的推動、藥物的封裝和釋放、提高納米材料的攝取速率等應(yīng)用。

2.3 核糖開關(guān)

核糖開關(guān)（riboswitch）是一段多存在于mRNA 5' 非 編 碼 區(qū)（5'UTR）或 3' 非 編 碼 區(qū)（3'UTR）的核苷酸序列，可特異性響應(yīng)周圍環(huán)境中小分子配體的濃度變化，從而實(shí)現(xiàn)對基因表達(dá)的調(diào)控。核糖開關(guān)于2002 年被Nahvi 等[15]首次發(fā)現(xiàn)并定義。隨著研究的深入，更多的核糖開關(guān)在細(xì)菌、真菌、植物及高等動物代謝相關(guān)基因中被發(fā)現(xiàn)，它們特異地存在于所調(diào)控基因的5'非翻譯區(qū)，可以在轉(zhuǎn)錄或翻譯水平通過對小分子濃度的改變進(jìn)行應(yīng)答來參與生物體內(nèi)多種基因的表達(dá)調(diào)控。一個(gè)核糖開關(guān)由適配體和表達(dá)平臺兩部分組成，首先，需要適配體與小分子配基特異性結(jié)合，引起其構(gòu)象改變，進(jìn)而導(dǎo)致與其相鄰的表達(dá)平臺二級結(jié)構(gòu)對應(yīng)產(chǎn)生變化，發(fā)揮類RNA 傳感器作用，并最終將這種構(gòu)象的變化通過終止基因轉(zhuǎn)錄或是抑制翻譯啟動，來實(shí)現(xiàn)改變相關(guān)基因表達(dá)的目的[16]。其中，根據(jù)作用類型劃分，配體的結(jié)合可引起基因表達(dá)量上升的核糖開關(guān)為激活型（ON型）開關(guān)，反之為抑制型（OFF 型）開關(guān)[17]。核糖開關(guān)作為功能核酸，具有更強(qiáng)的可編程性和可重復(fù)性，這令其可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)控元件的組裝拼接，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過合理設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；同時(shí)，由于核糖開關(guān)適配體序列的高度保守性，使得它可以作為新藥篩選和設(shè)計(jì)的作用靶點(diǎn)，在基因治療領(lǐng)域發(fā)揮作用[18]。此外，由于核糖開關(guān)的適配體部分可與非蛋白類小分子配體特異性結(jié)合，這種獨(dú)特的響應(yīng)模式也令其在生物傳感領(lǐng)域具備了一定的開發(fā)潛力[19]。因此，核糖開關(guān)在調(diào)節(jié)體內(nèi)基礎(chǔ)代謝、信號傳遞以及氨基酸、核苷酸、輔酶、金屬離子的攝取、生物代謝調(diào)控、信號傳導(dǎo)中均發(fā)揮重要作用[20-21]。

2.4 發(fā)光核酸

發(fā)光核酸指的是具有熒光性質(zhì)的核酸或核酸復(fù)合物[22]。具有熒光特性的功能核酸是用于生物分子分析和生物納米材料的強(qiáng)大研究工具。狹義的發(fā)光核酸僅包含適體-熒光染料復(fù)合物。但是，已有研究結(jié)果表明，可以與核酸相互作用并改變其熒光性質(zhì)的物質(zhì)不限于此。通過與非核酸配體（通常是小分子或金屬離子/綴合物）的共價(jià)修飾或非共價(jià)相互作用而具有熒光性質(zhì)的核酸或核酸復(fù)合物都可以稱為發(fā)光核酸。根據(jù)核酸和配體的不同形式，熒光功能核酸可分為八種類型：熒光核苷酸堿基類似物和修飾的核堿基，無堿基位點(diǎn)（AP 位點(diǎn)）結(jié)合分子型發(fā)光核酸，適體-熒光團(tuán)復(fù)合物，G-四鏈體（G4）-熒光團(tuán)復(fù)合體，核酸模板化的貴金屬納米簇，具有聚吡啶基配體的釕（Ⅱ）絡(luò)合物，DNA 敏感的鑭系元素（Ln）和傳統(tǒng)的發(fā)光核酸[22]。目前發(fā)光核酸廣泛應(yīng)用于生物傳感、生物成像及靶向運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。在生物傳感方面，利用發(fā)光核酸的熒光信號輸出能夠?qū)崿F(xiàn)對靶標(biāo)的定量或定性檢測[23]；在生物成像方面，發(fā)光核酸能有效地感測周圍環(huán)境的變化以及胞內(nèi)成分的變化，為疾病的預(yù)防和治療提供新見解[24]；在靶向運(yùn)輸方面，一些發(fā)光核酸，如熒光適配體能夠特異性地識別并結(jié)合配體，從而實(shí)現(xiàn)藥物的靶向運(yùn)輸與遞送[25]。

2.5 修飾核酸

修飾核酸就是在核苷酸上（包括磷酸骨架、堿基、核糖/脫氧核糖）進(jìn)行修飾或交聯(lián)一些功能基團(tuán)，不僅可以豐富其結(jié)構(gòu)和功能，而且可以提高核酸的穩(wěn)定性，增強(qiáng)其與靶標(biāo)分子的相互作用，從而大大拓寬了核酸的應(yīng)用范圍。對磷酸骨架上的非連接氧進(jìn)行修飾或交聯(lián)，以及對連接氧或整個(gè)磷酸骨架進(jìn)行替換可以減少其所帶的負(fù)電荷，提高磷酸骨架對于酶解的穩(wěn)定性，且可以增強(qiáng)核酸藥物的作用效果。在磷酸基團(tuán)上交聯(lián)一些具有靶向性或親脂性基團(tuán)如膽固醇、N-乙酰半乳糖胺和維生素E 等可以提高siRNA 分子的作用效果[26-27]。對核酸堿基進(jìn)行修飾不僅可以提高堿基配對的穩(wěn)定性，而且可用于連接功能基團(tuán)從而豐富核酸的藥物效果。反義寡核苷酸鏈（ASO）通過堿基互補(bǔ)配對與靶標(biāo)mRNA 結(jié)合來發(fā)揮作用，對核酸堿基修飾會影響ASO 與靶標(biāo)mRNA 的作用。在嘧啶堿基的C5 位點(diǎn)修飾甲基、丙炔基、噻唑基等可以增強(qiáng)ASO 與互補(bǔ)鏈之間的堿基堆積能力，從而提高ASO 對靶標(biāo)鏈的親和力[28]；DNA 豐富的化學(xué)結(jié)構(gòu)可使其結(jié)合各種金屬離子從而合成一系列納米材料，在嘌呤堿基上的環(huán)外氨基上修飾戊二醛或α，β-不飽和醛等還原基團(tuán)，從而使金屬離子在DNA 上還原來對 DNA 金屬化[29]；另外，一系列呋喃環(huán)、苯環(huán)、萘環(huán)、噻吩、吡咯取代的7-脫氮嘌呤核苷酸可以干擾DNA 和RNA 的合成，從而具有一定的抗病毒效果[30]。2'-O 甲基、2'-O 甲氧乙基修飾使呋喃糖環(huán)趨于C3'-endo 折疊構(gòu)象，可提高siRNA 分子的穩(wěn)定性；2'-F 修飾與 2'-OH 相比，其電負(fù)性更高，可廣泛應(yīng)用于siRNA 和ASO 中，提高與靶向mRNA 的親和力；此外，一鎖式核酸和2',4'-亞甲氧基橋接的核酸也可用于提高RNA 的親和力，常被應(yīng)用于核酸治療中[28]。

2.6 功能核酸裁剪

通過適當(dāng)?shù)牟眉襞c修飾對核酸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組，就可以實(shí)現(xiàn)功能的變化。因此“功能核酸裁剪”的概念也應(yīng)運(yùn)而生，功能核酸可被裁剪主要有以下幾個(gè)原因：在核酸序列中，并不是每一個(gè)核苷酸都維持著功能核酸的結(jié)構(gòu)，只有少數(shù)核苷酸能夠與靶標(biāo)結(jié)合并誘導(dǎo)構(gòu)象改變[31]；核苷酸是小分子，在合成的過程中其種類和數(shù)量可控；生物傳感器維持構(gòu)象的核苷酸區(qū)域可以調(diào)整；且多個(gè)功能核酸經(jīng)剪裁后可以組裝。功能核酸剪裁具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如產(chǎn)率高、低成本等，更重要的是，多余的核苷酸可能形成各種不必要的二級結(jié)構(gòu)，從而破壞適體-靶標(biāo)復(fù)合物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此可以重新設(shè)計(jì)更加合理的適配體或DNA 核酸酶。此外，核酸很容易大量合成，還能提高組織穿透率[32]。目前功能核酸的裁剪策略包括劈裂、剪短、增長、替換、融合核酸序列[33]。通過功能核酸的裁剪與組裝技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)檢測、定向靶標(biāo)物質(zhì)、產(chǎn)生或擴(kuò)大信號輸出、構(gòu)建生物傳感器和遞送藥物等，還能克服輸出信號弱、結(jié)合親和力低或藥物負(fù)載能力弱等缺點(diǎn)。在功能核酸的裁剪中，必須對空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的預(yù)測。因此，在未來的研究中，精確地確定功能核酸的高級結(jié)構(gòu)以及與靶標(biāo)的結(jié)合區(qū)域?qū)蟠蟠龠M(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展。

2.7 功能核酸自組裝

功能核酸自組裝就是利用DNA 或RNA 的可編程性，使特殊設(shè)計(jì)的不同結(jié)構(gòu)的核酸鏈間通過堿基互補(bǔ)配對原則自發(fā)地形成特定核酸結(jié)構(gòu)。由自由能驅(qū)動的“腳趾”介導(dǎo)的鏈置換反應(yīng)（toehold-mediated strand displacement, TMSD）是一切核酸自助組反應(yīng)的基礎(chǔ)。TMSD 由稱為“腳趾”的互補(bǔ)單鏈域觸發(fā)，具有一定程度互補(bǔ)性的核酸鏈通過置換一條或多條預(yù)雜交的核酸鏈彼此雜交形成新的雜交鏈[34]。近年來，基于TMSD 的核酸擴(kuò)增技術(shù)在生物分析領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?；赥MSD 反應(yīng)，衍生出了構(gòu)成以上各種核酸納米結(jié)構(gòu)的等溫、無酶的基礎(chǔ)反應(yīng)模塊，包括雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（hybridization chain reaction,HCR）[35]、催化莖環(huán)自組裝反應(yīng)[36]和熵驅(qū)動催化反應(yīng)[37]。Seeman[38]基于核酸高度特異性的Watson-Crick 堿基配對能力有了突破性的進(jìn)展，開創(chuàng)了“結(jié)構(gòu)DNA 納米技術(shù)”的研究新領(lǐng)域。功能核酸被認(rèn)為是“自下而上”構(gòu)造多種尺寸和形狀的2D 和3D 納米結(jié)構(gòu)的最具可編程性的材料之一[39]，例如連接點(diǎn)、晶格、雙重交叉和DNA 折紙[40]。DNA 作為功能生物大分子，其自組裝能力不僅對維持生物體正常的生命過程至關(guān)重要，而且還具有人工構(gòu)建功能DNA 動態(tài)納米結(jié)構(gòu)的潛力[41-42]。動態(tài)DNA 納米技術(shù)包括隨著核酸的轉(zhuǎn)變而刺激的納米結(jié)構(gòu)的動態(tài)位移和運(yùn)動[43]，例如 DNA 鑷子[44-45]、DNA Walker[46-47]、DNA 樹狀聚合物[48]和DNA 回路[49]。通過復(fù)雜的設(shè)計(jì)和組裝，利用脫氧核苷酸鏈的靈活性和剛性來產(chǎn)生任何所需的功能性核酸。因此，功能核酸自組裝已被廣泛應(yīng)用于開發(fā)檢測核酸、蛋白質(zhì)和小分子的敏感生物傳感器，同時(shí)在胞內(nèi)遞送、基因治療等領(lǐng)域亦有較大突破。

2.8 功能核酸納米材料

功能核酸納米材料是由各種功能核酸（包括DNA 酶、適配體、三鏈 DNA 組裝體、DNA 瓦片和DNA 折紙等）和納米材料（如金屬納米材料、碳和硅基納米材料、生物納米材料和復(fù)合納米材料等）組合而成的新型復(fù)合納米材料，或功能核酸本身可控制和程序化的自組裝[50]。功能核酸和納米材料的制備方式眾多，主要包括生物共軛、吸附作用、功能核酸模板組裝、功能核酸-納米材料異質(zhì)結(jié)合和功能核酸自組裝[50]。

以核酸為原材料自組裝構(gòu)建的核酸水凝膠是一類高含水量且高度交聯(lián)的多孔納米材料，既具有核酸分子優(yōu)越的高生物相容性、穩(wěn)定性、精確的可編程性、構(gòu)象柔韌性以及易合成與修飾等獨(dú)特性質(zhì)，同時(shí)還兼具自組裝三維網(wǎng)絡(luò)和多孔架構(gòu)所賦予水凝膠材料本身的彈性、剛度和高滲透性等優(yōu)異的機(jī)械、物理性能[51-53]。鑒于與天然組織的相似性及其強(qiáng)大的模擬生物力學(xué)特性，核酸水凝膠在免疫調(diào)節(jié)、食品安全、藥物輸送、仿生模擬和組織工程學(xué)等研究方向的多個(gè)子領(lǐng)域均具有潛在的應(yīng)用前景。以核酸模板定向生長的金屬納米材料在納米光刻、能量轉(zhuǎn)換和存儲、催化、傳感和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[54-55]。目前已開發(fā)出各種方法來制備以核酸為模板的金屬納米材料包括化學(xué)還原、光還原、電化學(xué)還原、通過還原基團(tuán)修飾的核酸進(jìn)行金屬離子的位點(diǎn)特異性還原等。作為穩(wěn)定金屬納米材料的支架，核酸不僅可以作為“遺傳密碼”對納米粒子的形貌進(jìn)行控制[56]，還可以在三維空間中對金屬納米材料的定位以及對裝配拆卸過程進(jìn)行選擇和動態(tài)控制，以滿足需求或刺激[57]。

2.9 核酸納米酶

核酸納米酶是指具有核酸特殊結(jié)構(gòu)和酶模擬活性的納米材料。由于具有新穎的理化性質(zhì)和類酶催化活性，核酸納米酶是傳統(tǒng)天然酶良好的替代品。其中最常見的是以核酸為模板合成的金屬納米酶，以及由核酸/核苷酸金屬離子配位納米酶[58-60]。與傳統(tǒng)的納米酶相比，核酸納米酶不僅具有納米酶自身的類酶特性，而且還保留著核酸的功能，賦予了納米酶更多的特性。在結(jié)構(gòu)上，納米酶結(jié)構(gòu)簡單，而經(jīng)核酸修飾后，其表面復(fù)雜度升高，為多樣性的應(yīng)用提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[61]。在性質(zhì)上，納米酶因缺少特定的底物結(jié)合位點(diǎn)致使特異催化性全無，而功能核酸的修飾賦予了納米酶特異性識別功能。此外，核酸的序列還可以調(diào)控納米酶的活性，通過加入特定序列的核酸可以使其在生理環(huán)境中具有高效的催化活性[62]。核酸納米酶具有顯著的特點(diǎn)，如強(qiáng)大的催化活性、低成本、酶活可調(diào)性和高穩(wěn)定性等，因此可以實(shí)現(xiàn)從檢測到監(jiān)測和治療的多功能生物應(yīng)用[63]。

2.10 核酸藥物

核酸藥物是指利用控制遺傳信息的DNA 和RNA 作為藥物，包括在從基因組DNA 合成蛋白質(zhì)的階段靶向核酸的藥物（例如mRNA 和miRNA）和靶向蛋白質(zhì)的核酸藥物[64]。如表1 所示，根據(jù)目標(biāo)和作用機(jī)理，存在具有不同類型和特征的核酸藥物。核酸藥物作為新一代藥物，其作用機(jī)理與傳統(tǒng)藥物完全不同。當(dāng)今，大多數(shù)可用藥物都是通過與疾病相關(guān)的靶蛋白相互作用來行駛功能的，而且疾病相關(guān)蛋白的表達(dá)是導(dǎo)致疾病的根本原因。然而，這些藥物由于與非靶蛋白潛在的相互作用通常具有副作用?；诤怂岬闹委焺┠軌蛟谶z傳水平上通過阻止致病蛋白的表達(dá)控制疾病[73-74]。

表1 核酸藥物的類別總結(jié)Table 1 Classification summary of nucleic acid drug

2.11 核酸補(bǔ)充劑

核酸補(bǔ)充劑是指核酸類的物質(zhì)進(jìn)入生物體后被消化吸收并加以利用，從而實(shí)現(xiàn)為生物體提供能量和核酸合成材料并發(fā)揮調(diào)控因子的作用[75]。20 世紀(jì)60 年代科學(xué)家開始對核苷酸的營養(yǎng)進(jìn)行研究，1983 年日本功能性食品醫(yī)學(xué)會創(chuàng)立者小越章平首次在世界上提出了核苷酸是重要的營養(yǎng)素[76]。雖然機(jī)體可以內(nèi)源合成核苷酸，但是機(jī)體在快速生長或應(yīng)激反應(yīng)時(shí)，添加外源核苷酸顯得尤為重要。核苷酸補(bǔ)充劑在嬰兒體重的增加率等方面具有一定的作用[77]。1965年日本就開始嘗試向奶粉中加入核苷酸[75]，20 世紀(jì)80 年代后西班牙和美國也開始推薦向奶粉中添加核苷酸，目前許多嬰幼兒奶粉都在配方中加入了DNA 和RNA 的成分。外源核苷酸在體內(nèi)的作用機(jī)制以及代謝途徑目前還不清楚，但經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)膳食中核苷酸的添加有助于降低腫瘤的發(fā)病率[78]，對肝臟修復(fù)和調(diào)節(jié)腸道菌群方面也有明顯的作用[79-80]。營養(yǎng)不良和饑餓造成的免疫抑制狀態(tài)，可通過補(bǔ)充核酸營養(yǎng)恢復(fù)正常，但補(bǔ)充蛋白質(zhì)無法起到這種作用。飲食核酸除可調(diào)節(jié)脂肪的代謝外，對三大營養(yǎng)要素的吸收和利用也起著調(diào)節(jié)作用。但是如果服用的核酸過多，則有可能導(dǎo)致血液、尿中尿酸太多，從而對身體造成傷害。目前，核酸在功能食品和飼料添加劑等產(chǎn)業(yè)被廣泛應(yīng)用。未來關(guān)于核酸在體內(nèi)消化吸收的利用機(jī)制、作用機(jī)理以及如何針對具體需求開發(fā)核酸營養(yǎng)的功能食品還需要更進(jìn)一步的探究。

2.12 DNA數(shù)據(jù)存儲

DNA 數(shù)據(jù)存儲是將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成核苷酸序列的編碼過程[81]。由于每年產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，尋找存儲數(shù)據(jù)的替代方法是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。而DNA 由于其巨大的存儲密度、體積小、能耗低、穩(wěn)定性高、存儲周期長、易獲取以及強(qiáng)大的自我復(fù)制能力，已成為一種有前途的材料[82-83]。DNA 作為絕大多數(shù)生物體的遺傳物質(zhì)，具有精確的分子結(jié)構(gòu)和序列，而遺傳信息的千差萬別反映出堿基類型以及核苷酸排列順序的不同。如果把不同種類的堿基賦值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，DNA 就可以作為二進(jìn)制的數(shù)據(jù)存儲材料。DNA 編碼的信息不需要保存在微型離心管中，而是可以穩(wěn)定地嵌入到3D 打印、無生命的物體中[84]。DNA 存儲大多數(shù)常見的編碼模式包括將信息從比特編碼到合成的核苷酸中，存儲在液體或干介質(zhì)中，并通過測序進(jìn)行解碼[85]。近期，James 等[86]開發(fā)了一種標(biāo)記和檢索DNA 數(shù)據(jù)文件的技術(shù)。每個(gè)DNA 文件封裝到一個(gè)微小的二氧化硅磁珠中，每個(gè)磁珠都貼上了由單鏈DNA 組成的“條形碼”，與文件內(nèi)容相對應(yīng)。這或許能讓DNA 數(shù)據(jù)存儲在未來成為可能。雖然DNA 作為新一代存儲介質(zhì)，擁有著很多現(xiàn)有存儲技術(shù)所不具備的優(yōu)勢，但是由于處于起步階段，仍面臨著巨大挑戰(zhàn)，如合成成本高、寫入速度慢、無法擦除重寫等。然而，在未來，相信DNA 存儲技術(shù)將會對新的存儲時(shí)代的到來起到引領(lǐng)及重要的推動作用。

3 展望

DNA 作為一種功能強(qiáng)大的生物分子，在生物傳感、生物成像、材料組裝、靶向遞送、疾病治療領(lǐng)域均展示出獨(dú)特的魅力。在生物傳感方面，基于功能核酸的快速檢測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)識別、擴(kuò)增放大和信號輸出全檢測環(huán)節(jié)的歸一化，提高了快速檢測的通用性、精準(zhǔn)性與靈敏度；在生物成像方面，可預(yù)測堿基的配對、高可編程性以及分子識別能力使基于核酸的熒光成像技術(shù)具有多樣性，使在復(fù)雜的生物體內(nèi)實(shí)時(shí)成像成為可能；在材料組裝方面，無論是核酸本身程序化的自組裝還是與其他納米材料結(jié)合形成復(fù)合納米材料，都具有出色的生物相容性。利用核酸的序列可變性還可以對納米材料的結(jié)構(gòu)、形貌和性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，賦予材料新的功能；在靶向遞送方面，核酸分子具有優(yōu)越的穩(wěn)定性、精確的可編程性、構(gòu)象柔韌性以及易合成與修飾等獨(dú)特性，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)遞送和可控釋放；在疾病治療方面，核酸作為調(diào)控生物體生長發(fā)育，遺傳變異的重要分子，可以通過調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄、翻譯來達(dá)到調(diào)控疾病進(jìn)程的作用。因此，基于以上優(yōu)勢，功能核酸及其復(fù)合物在未來的環(huán)境監(jiān)測、生物成像、生物醫(yī)學(xué)等方面將發(fā)揮不可替代的作用。