2004年美国加州理工学院应用和计算数学系副教授Niles Pierce及同事开发了一种新方法可用于快速检测特异的DNA序列，他们将这种新技术命名为杂交链式反应（hybridization chain reaction ,HCR）。今年Pierce实验室利用HCR技术进行了两项试验研究，研究成果分别发表在《自然生物技术》（Nature Biotechnology）和《美国科学院院刊》（PNAS）上。
HCR技术的核心是基于一种亚稳态的发夹DNA，此外还利用了一种单链的启动分子。当单链分子与亚稳态的发夹DNA结合时使得发夹结构打开，DNA发夹的构象由此发生改变暴露出发夹环，进而不断结合和打开新的DNA发夹，驱动形成一条长的双链聚合体。虽然试验的基本原理没有发生改变，但在新研究中HCR不再运用于检测DNA，而是适用于检测细胞和胚胎。
在第一项试验研究中Pierce课题组利用HCR技术对完整的固定斑马鱼中多种不同mRNAs进行了同时成像分析。Pierce实验室的研究生Harry Choi率先开展相关研究实验，Harry Choi的实验设想非常的美好：首先将靶mRNA和单链启动分子结合上RNA标记，最终通过HCR反应生成荧光聚合物。然而最终他的实验并未取得成功因为试验设计必须基于严格的杂交条件以避免与脊椎动物胚胎的非特异性杂交。Pierce回忆说：“在两年的时间里，我们看到的都是没有信号的黑色斑马鱼因为根本没有聚合物形成。”
除了对HCR的缓冲液条件进行严格控制，Choi和同事们还对稳定聚合体形成所需的热力学条件进行了详细的测量。进而他们对发夹进行了逆向设计以满足设计的条件限制；此外他们舍弃了小DNA发夹，转而选用了比较松散的RNA发夹。最终他们的设计获得了成功，靶RNA的表达点亮了斑马鱼的胚胎。
在接下来的实验中研究人员证实了这一技术的强大性能，利用携带不同荧光基因的5条HCR扩增聚合物对一个完整的斑马鱼胚胎中的5个靶mRNAs的表达进行了同时成像。HCR扩增聚合物显示了深样本穿透、高信号-背景比例以及清晰的信号定位等特性。
在第一项研究开展的同时，Pierce课题组同时在开展着另一个颇具挑战的课题。研究人员希望能够找到一种新的
癌症治疗方法，在特异性杀死癌细胞的同时可以避免传统化疗所带来的副作用。“我们想看看是否能利用HCR技术条件性地选择性地靶向癌细胞。”这项研究工作由研究生Suvir Venkataraman领导完成。在这一试验中研究人员设计了一种与特殊癌细胞中突变RNA部分互补的RNA发夹。在存在特异突变的细胞中RNA发夹启动发夹自组装，最终形成一条长的双链RNA分子激发细胞中蛋白激酶主导的天然抗病毒反应，诱导细胞凋亡程序，清除癌细胞。
在这一研究开展之初，研究人员尚不确定HCR是否会在活细胞中发挥作用。最终研究人员设计出了适用于生理条件下的RNA发夹。他们设计的三个HCR发夹序列可特异地检测三种不同的易位突变，每一种突变为一种不同的人类癌细胞系所特有。在证实了其能够针对易位突变后，研究人员目前又开始尝试检测设计的HCR发夹是否能基于识别单个点突变而选择性杀死癌细胞。
在将实验从体外的细胞检测转移到小鼠模型的过程中，研究人员又遇到了新的挑战即如何有效地将这些分子导入动物体内，研究人员希望能够利用一些用于RNA干扰治疗研究的技术来解决这一问题。Pierce承认这种基于HCR的条件性化疗策略具有很高的风险，但是他表示当用常规的方法治疗癌症无法取得很好进展的时候，他们不得不尝试冒险。
“即使这种方法无法达到治疗人类疾病的水平，我认为这种基于小条件RNAs的‘分子工具’的想法还是成功的，”Pierce说：“我希望能看到一条设计生物试验的新方向，并且生物学家们能够由此获得一些可编程的分子工具根据他们的研究兴趣来检测或调控细胞的状态。”
（生物通：何嫱）
作者：
2011-1-12