多位专家指导：如何提取和研究血液DNA，RNA与蛋白
2017-03-16 佚名 生物通
为了帮助大家更好的分离囊泡、提取RNA、存储样本和分析数据，The Scientist杂志与多位专家学者探讨了检测不同血液生物学指标的策略，贡献出了相应的注意事项和实验技巧。
血液是唯一与所有器官都有接触的组织，携带着有关机体的大量宝贵信息。在理论上，检测血液携带的 DNA、RNA、囊泡和细胞残骸可以帮助人们诊断和监控各种疾病。
产前基因筛查是血液检测的一个重要应用，通过分析孕妇血液中的胎儿DNA来鉴定染色体异常（比如唐氏综合症）。此外，越来越多的研究者开始关注血液循环中的其他生物学指标，比如RNA、微囊泡和外泌体。
外泌体（Exosomes）发现于上世纪八十年代中期，直到近几年才开始引起科学家们的注意。外泌体是机体绝大部分细胞都能分泌的一种小囊泡，直径在30 至100nm之间。外泌体装载的蛋白质、调控性microRNA、DNA片段和其他代谢物，可以反映相应组织的内部活动。过去在很长一段时间里，人们曾将外泌体视为无用的碎屑。但现在研究者们意识到，外泌体在细胞之间起到了信使作用，而且与肿瘤转移有关。
外泌体受到广泛关注是因为它具有独特的性质。外泌体中的大分子不会受到外界核酸酶和蛋白酶的破坏，也就是说其中的生物学指标在一段时间内比较稳定。此外，外泌体上的表面标志物能够体现它的细胞来源，人们可以在此基础上进行特异性的富集，比如专门收集来自肿瘤的外泌体。外泌体还有一个明显的优势：它们只揭示活细胞的情况。因为只有活细胞才能分泌外泌体。研究者们可以通过外泌体来监控活细胞，无视那些因为药物治疗而濒临死亡的细胞。
微囊泡（Microvesicles）是从细胞表面被动分离出来的，一般比较大，直径可达1，000 nm。不同类型的微囊泡持有不同的细胞信息，很可能需要特别的提取方案。近年来人们逐渐意识到，细胞外微囊泡对癌症的发展和复发起到了重要作用。华中科技大学的研究人员在Cancer Research杂志上发表文章指出，微囊泡中的miRNA会推动造血细胞的白血病转化。研究显示，慢性粒细胞白血病（CML）K562细胞的微囊泡，能使正常造血干细胞转变为白血病样细胞。
血液生物学指标的商业化检测目前主要集中在癌症领域。也有许多学术研究者尝试用这种方式改善其他疾病的检测和诊断。不过，研究者们一直没能在检测方法上达成一致。“我们还处于探索阶段，”美国转化基因组研究所的Kendall Van Keuren-Jensen说。“大家都想实现监测方法的标准化，但现在还很难说什么才是最好的方法。”
为了帮助大家更好的分离囊泡、提取RNA、存储样本和分析数据，The Scientist杂志与多位专家学者探讨了检测不同血液生物学指标的策略，贡献出了相应的注意事项和实验技巧。
甲基化图谱分析
表观遗传学修饰可以在不改变DNA序列的情况下调控基因的活性，对于人类发育、人类疾病和环境影响有深远的意义，是近年来生命科学领域的一大研究热点。DNA甲基化是最常见的一种表观遗传学修饰，广泛参与了细胞对基因表达的控制，在细胞生长、细胞分化、细胞增殖和疾病状态中起到了关键性的作用。
研究者：香港中文大学的卢煜明（Dennis Yuk-ming Lo）教授
卢煜明教授是分子生物学临床应用专家，尤其致力于研究人体内血液的DNA和RNA。现为香港中文大学李嘉诚健康科学研究所所长、李嘉诚医学讲座教授兼化学病理学讲座教授。他屡获国际殊荣，包括2005年国家自然科学奖、2006年国际临床化学和实验室医学联合会—分子诊断学杰出贡献奖、2006年美国国家临床生物化学学院（NACB）杰出科学家奖、2006年裘槎基金会优秀医学科研者奖、2007年美国临床化学协会（AACC）SigiZiering奖、2012年AACC-NACB临床化学杰出贡献奖、2009年富布赖特香港杰出学者奖，以及2014年费萨尔国王国际医学奖。卢教授亦于2011年被选为英国皇家学会院士，在2013年被选为美国国家科学院外籍院士。2015年获美国临床化学协会（AACC）颁授年度Wallace H. Coulter讲学奖，是全世界首位获奖的华人学者。
研究项目：根据血液中的甲基化DNA分析机体器官的状态
背景：卢教授是无创产前诊断的奠基人，率先提出了在孕妇血液中检测胎儿DNA的理论。“血液DNA本质上是来源于不同器官的DNA混合物，我希望能够通过血液检测来判断机体不同部位的异常，”卢教授介绍道。
工作进展：为了解决多种组织在血液中的DNA贡献，卢教授的研究团队从十四种不同组织（包括肝脏，血细胞，胎盘等等）的甲基化组中挖掘出5，820个带有足够组织信息的甲基化生物标记。然后他们利用二次规划法分析多维的方程组，求出关于各个组织在血液中贡献的最优解。这就是生物信息学重迭解析处理（bioinformatics deconvolution process）方法。
研究人员发表在美国国家科学院院刊PNAS杂志上的研究显示，较低的测序覆盖度也能分辨与移植器官和肝癌有关的甲基化模式。这种方法能够给出可靠的信息，鉴定异常循环DNA的器官来源。举例来说，研究人员在血液中检测到了癌细胞基因组的拷贝数变异，并且根据相应的甲基化模式找到了这些变异的来源——肝脏肿瘤。
注意事项：研究血液甲基化组会面对许多未知因素，比如甲基化模式在个体间的变化，甲基化DNA片段在血液循环中的稳定性。卢教授团队检测的甲基化标记中大约15%在志愿者之间有显着差异。由于测序过程的重亚硫酸盐转化会破坏一些DNA并且产生偏好，单分子测序等更灵敏的方法对血液甲基化研究将更有帮助，卢教授指出。
前景展望：卢教授表示，分析血液中的组织特异性甲基化模式还会有更多的用途，比如追踪移植排斥或者鉴定循环肿瘤DNA的来源。“当你不知道哪个器官出现异常的时候，这是一个很好的突破口。”
实际上，卢教授已经领导团队在美国国家科学院院刊PNAS杂志上发表了这方面的研究成果。他们通过分析血液中的甲基化DNA，检测到了癌症患者的肝肿瘤和淋巴瘤，以及孕妇胎盘中的遗传异常。这项工作在分子诊断与基于器官的传统医疗之间搭起了一道桥梁。
外泌体蛋白
外泌体发现于上世纪八十年代中期，直到近几年才开始引起科学家们的注意。外泌体是机体绝大部分细胞都能分泌的一种小囊泡，直径在40-100nm之间。一些外泌体相当于膜形成的垃圾袋，是细胞清除特定大分子的一种途径。另一些外泌体是细胞之间的一种通讯工具，能够对细胞功能产生影响。
在过去很长一段时间里，外泌体并没有引起人们的注意。直到最近研究者们才逐渐意识到，外泌体所含的多种分子可以成为理想的生物学指标。外泌体内的大分子比较稳定，不会受到外界核酸酶和蛋白酶的破坏。外泌体的表面标志物能够体现它的细胞来源。而且外泌体只反映活细胞的内部情况。（更多详细信息参见：外泌体的生物学指标及研究工具）
研究者：加州大学医学和免疫学教授Edward Goetzl
研究项目：分析循环外泌体中的蛋白，开发阿尔茨海默症血液测试
背景：阿尔茨海默症（AD）是一种进程性的神经退行性疾病，俗称为老年痴呆症。阿尔茨海默氏症患者的认知和记忆功能会不断恶化，极大的影响其日常生活能力，这种疾病是老龄化社会面临的一大难题。
目前医生们主要通过临床症状、大脑成像和脑脊液提取来诊断阿尔茨海默症。虽然这些诊断往往是正确的，但只有尸检才能证实疾病标志的存在：大脑中的β淀粉样蛋白斑块和tau错误折叠形成的神经纤维缠结。源自神经元的外泌体含有细胞特异性的蛋白质和RNA。如果可以通过循环外泌体追踪异常的β淀粉样蛋白和tau蛋白，那么定期血检就可以用来监控阿尔茨海默症患者的疾病进程。
蛋白质检测：Goetzl及其同事收集了阿尔茨海默症患者确诊前后的血样。他们先用System Biosciences公司的ExoQuick分离血样中的所有外泌体，再用结合神经元表面蛋白的抗体富集神经元外泌体，检测这些外泌体所含的蛋白质。研究显示，在阿尔茨海默症患者的神经元外泌体中，tau、磷酸化tau和β淀粉样蛋白的表达水平显着较高。举例来说，阿尔茨海默症神经元外泌体的磷酸化tau比对照多十倍。
研究人员指出，寻找正确的群体进行比较是非常关键的，因为许多老年人已经表现出认知衰退的迹象。这项研究募集的志愿者不仅认知能力正常，而且没有阿尔茨海默症家族史，也不具备已知的疾病风险因子。（Alzheimers Dement， 11：600-07， 2015）
注意事项：现在还不清楚血液中神经元外泌体的总量是否会随着疾病状态发生改变，因此我们应该适当处理数据，在单个外泌体水平上进行分析。此外，蛋白质从外泌体提取出来之后需要迅速分析，“外泌体把蛋白质保护得很好，一旦我们将蛋白质提取出来，它们就很容易降解，”Goetzl指出。
前景展望：2013年Goetzl与人合作建立了NanoSomiX公司，以开发阿尔茨海默症血液测试。“我们希望能够提前10-15年鉴定到疾病风险，让高风险人群使用预防性药物，”他说。
Exosome Diagnostics公司去年开发了一种基于离心柱的简便方法来分离外泌体，并提取出其中的RNA。研究人员在《PLoS ONE》上介绍了这种新方法。与超速离心相比，这种方法能分离出高纯度的RNA，并且对囊泡RNA有着高的特异性。离心柱能够容纳4 mL样本，实现了血清和血浆中低丰度转录本的检测。目前，基于此技术的商业化产品 – exoRNeasy Serum/Plasma Maxi Kit – 已由QIAGEN推出。
外泌体microRNA
研究者：Illinois大学副教授Neil Smalheiser
研究项目：从血浆外泌体鉴定阿尔茨海默症的miRNA指标
研究背景：外泌体与其他囊泡的区别主要在于尺寸、浮力密度、形成机制和特定细胞内指标。MicroRNA（miRNA）是长约22nt的非编码RNA，这些小RNA在天然细胞中大量存在，它们能与靶基因的mRNA配对，在转录后水平上调控目标基因的表达。大量研究表明，microRNA控制着胚胎发育、细胞分化、器官生成等重要的生物学过程，对于正常发育、细胞生长和生物行为非常关键，而且与复杂的神经退行性疾病有关。近来不少研究者发现，阿尔茨海默症患者的大脑组织和血液都存在miRNA水平的改变。
检测miRNA：Smalheiser团队使用了分离外泌体的传统方法——差速离心（differential ultracentrifugation）。他们用这种方法逐渐洗掉游离RNA、蛋白聚合物和细胞残骸，只留下外泌体。随后研究人员从外泌体提取RNA并对其进行测序，建立了成熟miRNA的数据集。他们通过计算模型鉴定了一组可以将阿尔茨海默症和对照准确分开的miRNA。
不过，超速离心速度较慢，也无法实现高通量。此外，超速离心中有许多变量需要标准化（例如转子的选择和离心条件等等），很难转化到临床中去。好在，市场上出现了多款方便的试剂盒。比如，赛默飞世尔科技推出了几款总外泌体提取试剂盒（Total Exosome Isolation Reagent），能够分别从细胞培养基、血清、血浆、尿液及其他体液中分离出完整的外泌体。
实验技巧：研究人员使用的离心方法使他们能够获得相对纯净的外泌体，Smalheiser指出。在用Trizol试剂提取RNA的时候，他的团队发现添加糖原使产量提升了将近23%，这一步骤可以用于其它低产量RNA。
在实验室中，RNA提取过程的痛苦是众所周知的。RNA极其脆弱，对RNAses酶的降解非常敏感，而这种酶几乎无处不在。美国佛罗里达大学的研究人员为此开发了一种新的RNA提取方法，并将其发布在《Applications in Plant Sciences》上。他们将Trizol试剂、Turbo DNA试剂盒（由Life Technologies Ambion生产）和自己开发的步骤结合起来，让RNA提取变得更迅速、更有效、更可靠。
细胞外RNA
研究者：加州大学圣地亚哥分校副教授Louise Laurent，美国转化基因组研究所副教授Kendall Van Keuren-Jensen
研究项目：鉴定胎盘功能障碍（Laurent）和大脑损伤（Keuren-Jensen）的循环miRNA指标
研究背景：近年来，人们在血浆或血清样本中成功检测到了疾病相关的RNA（exRNA）。这些细胞外RNA可以成为非侵入性的疾病诊断指标，这是RNA检测最有前景的发展方向之一。在多种细胞受到破坏的疾病中（比如大脑损伤），循环miRNA是非常重要的生物学指标。研究这些miRNA的团队很多，可供选择的实验方案也不少，不过研究者们还没有就此达成一致。Laurent和Keuren-Jensen都是美国NIH细胞外RNA交流协会的成员，他们正在努力推动循环miRNA检测的标准化，提升细胞外RNA研究的可重复性。
胎盘囊泡：在妊娠期间，胎盘会将包含RNA的囊泡释放到母体血液中。Laurent希望从中鉴定胎盘疾病的miRNA指标，比如子痫前期和宫内生长受限。她和同事正在优化自己开发的方法，从外泌体和微囊泡提取miRNA并分析相关数据。初步研究结果显示，母体血液中的外泌体和微囊泡都可以分离出妊娠特异性miRNA。妊娠后期的miRNA指标与胎盘组织的关系尤为密切。
大脑撞击：Van Keuren-Jensen团队将监控撞击数据的感应器装在橄榄球运动员的头盔中，并在橄榄球赛季中收集运动员的血液、尿液和唾液样本。他们对这些样本进行RNA测序，寻找与撞击数据有关的生物学指标。研究人员使用了一系列商业化试剂盒，并且对细胞外RNA收集方法进行了比较。“使用不同的试剂盒或分离方法会造成很大的差异，”Van Keuren-Jensen说。“现在还很难断言哪种试剂盒最好。”
注意事项：有些测序试剂盒使用带“粘性”末端的短片段DNA来结合要扩增的目标分子。这些末端（被称为接头）可能给实验结果带来很大的变数。有些试剂盒产生的接头二聚体比较少，但测序偏好比较大。有些试剂盒提供的接头更随机化，可能与某些miRNA结合得更好。“这些因素会使结果产生较大差异，导致难以重复的结果，”Van Keuren-Jensen说。
实验技巧：Laurent指出，减少样本批次、尽量由同一个人操作有助于降低结果的差异性。使用内参（比如不受疾病影响的一种RNA）是提高结果可重复性得另一条途径。在没有一个通用标准的情况下，“设立内参可以帮你去除产量或批次差异带来的许多影响，”Laurent说。Van Keuren-Jensen建议大家在论文中分享自己所用的试剂盒和分离方法，因为这些信息对实验结果的重复很有帮助。
监控exRNA只需要采集血样，不像肿瘤活检那么有风险，成本也比较低。不过从血浆或血清中分离exRNA仍有一定的挑战性，一方面是因为exRNA丰度低，另一方面是因为血液中的污染物会抑制PCR。商品化的试剂盒能简化和加速exRNA提取过程，已成为循环exRNA研究不可缺少的工具。然而很少有人横向评估这些试剂盒的提取效率如何，是否能去除血浆中的污染物，是否会偏向特定的RNA。而这类评估对于结果解释和实验之间的比较都很关键。
于是，美国爱因斯坦医学院的研究人员评估了市场上7种常用的exRNA提取试剂盒，分别来自贝克曼？库尔特、Life Technologies、Exiqon、Zymo、QIAGEN公司。他们具体评估了合成RNA的总体回收率、不同大小的合成RNA的回收能力、exRNA产量和纯度，以及纯化后的扩增效率。研究结果发表在《BioTechniques》杂志上。
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