細(xì)胞表面的“隱形哨所”：膜蛋白的研究困境

細(xì)胞質(zhì)膜表面蛋白（Cell-surface proteins）作為細(xì)胞與外界信息交互的物理中樞，承載了約60%的已上市藥物靶點(diǎn)。然而，針對(duì)這些具有關(guān)鍵臨床價(jià)值的靶點(diǎn)開發(fā)高親和力分子探針（如核酸適體）仍面臨巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)質(zhì)譜或者細(xì)胞篩選（Cell-SELEX） 篩選方法主要依賴體外純化蛋白或混合細(xì)胞群體，不僅通量有限、周期冗長(zhǎng)，且難以維持膜蛋白在脂質(zhì)雙分子層中的天然空間構(gòu)象。這種“離體”篩選環(huán)境常導(dǎo)致探針在臨床應(yīng)用中出現(xiàn)親和力下降或特異性缺失，嚴(yán)重限制了低豐度及構(gòu)象敏感型生物標(biāo)志物的系統(tǒng)性挖掘。

SPARK-seq：多維視角下的“單細(xì)胞分子實(shí)驗(yàn)室”

針對(duì)這一長(zhǎng)期制約精準(zhǔn)醫(yī)療的瓶頸，2026年1月2日，中國(guó)科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所譚蔚泓院士與吳芩研究員團(tuán)隊(duì)在Science發(fā)文：SPARK-seq: a high-throughput platform for aptamer discovery and kinetic profiling。團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了SPARK-seq新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)徹底顛覆了傳統(tǒng)的“盲篩”模式，首次實(shí)現(xiàn)了在單細(xì)胞水平上將CRISPR基因編輯、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)與大規(guī)模適體測(cè)序高度整合。通過在活細(xì)胞膜表面直接進(jìn)行原位識(shí)別，SPARK-seq 最大程度保留了膜蛋白在生理狀態(tài)下的天然構(gòu)象，確保探針能夠鎖定最真實(shí)的蛋白形態(tài)。更具變革意義的是其“三位一體”的數(shù)字化讀出能力，該系統(tǒng)能在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)同步解碼“基因型、表型與適配體結(jié)合譜”，將海量隨機(jī)結(jié)合事件轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)的“基因-表型-配體”映射關(guān)系，為規(guī)?；诰蚣?xì)胞表面標(biāo)志物提供了核動(dòng)力級(jí)的新引擎。

針對(duì)傳統(tǒng)適體細(xì)胞篩選通量低、周期長(zhǎng)以及靶標(biāo)鑒定困難等難題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了 SPARK-seq 平臺(tái)。該平臺(tái)首次將多靶點(diǎn)CRISPR 基因敲除與單細(xì)胞多組學(xué)測(cè)序深度耦合，實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)同時(shí)捕捉遺傳擾動(dòng)（gRNA）、全轉(zhuǎn)錄組（mRNA）和適體結(jié)合信號(hào)（Aptamer）。這種設(shè)計(jì)通過對(duì)比野生型與敲除細(xì)胞的結(jié)合差異，構(gòu)建了精準(zhǔn)的“基因型-表型-配體”映射圖譜，解決了低豐度及結(jié)構(gòu)敏感靶點(diǎn)難以系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的痛點(diǎn)。

利用自主研發(fā)的 SPARTA算法，研究人員對(duì) 8,466 個(gè)高質(zhì)量單細(xì)胞進(jìn)行了系統(tǒng)分析，從 1,906 個(gè)適體家族中精準(zhǔn)鎖定了 5,535 條針對(duì) 8 種核心表面蛋白的特異性適體。通過流式細(xì)胞術(shù)、表面等離子共振（SPR）等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這些適體均表現(xiàn)出納摩爾級(jí)的超高親和力。此外，該技術(shù)展現(xiàn)了極強(qiáng)的分辨力，不僅能識(shí)別特定的整合素異二聚體，還能區(qū)分序列和結(jié)構(gòu)高度相似的同源家族蛋白, 并捕捉到可同時(shí)結(jié)合多種 PTPR 同源蛋白的廣譜適體。

研究發(fā)現(xiàn)，SPARK-seq 展現(xiàn)出獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)篩選偏好：其富集程度與適體的解離速率高度相關(guān)。這意味著該平臺(tái)能優(yōu)先識(shí)別出與靶點(diǎn)結(jié)合更持久、相互作用時(shí)間更長(zhǎng)的探針，這對(duì)于提升臨床顯影對(duì)比度和治療藥物的生物利用度具有關(guān)鍵意義。

基于 SPARK-seq 產(chǎn)生的大規(guī)模高質(zhì)量數(shù)據(jù)集，SPARTA 框架內(nèi)置的 CNN 分類器對(duì)靶點(diǎn)結(jié)合序列的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá) 97%。更具突破性的是，其生成式模塊能夠打破天然篩選的限制，通過計(jì)算機(jī)理性設(shè)計(jì)，產(chǎn)生結(jié)合動(dòng)力學(xué)性能顯著優(yōu)于原始序列的功能變體，為分子醫(yī)學(xué)提供了從“發(fā)現(xiàn)”到“設(shè)計(jì)”的全鏈路閉環(huán)。

總之，以SPARK-seq為代表的核酸適體組學(xué)技術(shù)的問世，不僅標(biāo)志著一種高效篩選工具的誕生，更預(yù)示著分子醫(yī)學(xué)研究范式的深層變革。其核心意義在于，它通過“化學(xué)探針”與“單細(xì)胞測(cè)序”的跨界融合，成功地將復(fù)雜的蛋白質(zhì)物理交互轉(zhuǎn)化為了可大規(guī)模并行處理的核酸數(shù)字信號(hào)。這一進(jìn)步賦予了核酸適體技術(shù)三大核心價(jià)值：首先，它實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模挖掘，讓那些曾經(jīng)在常規(guī)檢測(cè)中“隱身”的低豐度、構(gòu)象依賴型靶點(diǎn)無(wú)所遁形；其次，它通過動(dòng)力學(xué)維度的引入，讓探針開發(fā)從單純的“識(shí)別”進(jìn)化為對(duì)“相互作用時(shí)間”的精準(zhǔn)把控；最后，依托海量高質(zhì)量數(shù)據(jù)構(gòu)建的AI驅(qū)動(dòng)閉環(huán)，使適體設(shè)計(jì)告別了大海撈針式的經(jīng)驗(yàn)摸索，正式邁入“設(shè)計(jì)即所得”的理性編程時(shí)代。

中國(guó)科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所譚蔚泓教授和中科院杭州醫(yī)學(xué)研究所吳芩研究員為通訊作者。中國(guó)科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所/湖南大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)羅國(guó)焰博士和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院宋佳副研究員為論文的第一作者。

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