重組酶聚合酶擴增（Recombinase polymerase amplification reaction，RPA）

自20世紀90年代初以來，大量的等溫核酸擴增方法涌現(xiàn)，有基于核酸序列的擴增（NASBA，又稱轉(zhuǎn)錄介導擴增，TMA）、信號介導的核糖核酸擴增技術(shù)（SMART）、解旋酶依賴性擴增（HDA）、重組酶聚合酶擴增（RPA）、滾環(huán)擴增（RCA）、多重置換擴增（MDA）、環(huán)介導的等溫擴增（LAMP）和鏈置換擴增（SDA）。其中RPA反應(yīng)條件溫和，擴增效率高，非常適合臨床快速診斷、食品檢測、疫情防控、工業(yè)應(yīng)用、現(xiàn)場實時檢測等應(yīng)用。

1.簡介

與PCR等溫擴增方法相比，RPA具有操作簡單、反應(yīng)速度快、對設(shè)備要求低等優(yōu)點。在靈敏度方面，RPA可以檢測最低水平樣品中的痕量核酸。在一些研究中，RPA甚至可以檢測到PCR無法檢測到的低濃度DNA。在特異性方面，RPA可以從不同物種和標本類型的基因組DNA中識別和擴增靶基因。RPA抗干擾能力強，檢測結(jié)果可與PCR高度一致。此外，RPA可以在37-42°C下運行，無需復雜的溫度控制設(shè)備，非常適合資源匱乏環(huán)境下的現(xiàn)場檢測，并可以在20 min內(nèi)得到檢測結(jié)果，有利于樣品的大規(guī)模篩選和快速檢測。

2.反應(yīng)機理

重組酶聚合酶擴增技術(shù)通過模擬DNA體內(nèi)擴增，在等溫條件下產(chǎn)生目的片段。該技術(shù)主要依賴重組酶、單鏈結(jié)合蛋白和鏈置換DNA聚合酶。重組酶能夠不通過加熱就解開雙鏈DNA。重組酶聚合酶擴增反應(yīng)開始時，重組酶在ATP的參與下結(jié)合引物，形成核酸蛋白復合體，這些復合體能夠掃描與引物序列互補的目標雙鏈DNA。接著，核酸蛋白復合體侵入5'端位點形成D狀環(huán)。單鏈結(jié)合蛋白與被置換單鏈結(jié)合使其穩(wěn)定。同時，重組酶離開寡核苷酸的3'端，降解后被DNA聚合酶利用。之后，鏈置換DNA聚合酶結(jié)合在核酸蛋白復合體的游離3'端，進行鏈延伸，形成新的互補鏈。在鏈延伸的過程中，新合成的單鏈與原始互補鏈配對。以上步驟循環(huán)進行，實現(xiàn)DNA的指數(shù)增長。

Fig. 1 重組酶蛋白與每個引物形成復合物（A），掃描DNA的同源序列（B）。然后通過重組酶（C）的鏈置換活性將引物插入同源位點，單鏈結(jié)合蛋白穩(wěn)定了置換的DNA鏈（D）。隨后重組酶分解，引物3'端可進入置換DNA聚合酶（E）的鏈，從而延長引物（F），通過循環(huán)重復該過程實現(xiàn)了指數(shù)放大。

3.RPA檢測的影響因素

RPA的突出之處源于其特定的反應(yīng)成分和機理。RPA檢測的細微差別取決于內(nèi)在因素（如引物、探針和核酸模板的設(shè)計），并與外在因素有關(guān)（如反應(yīng)溫度和攪拌、對錯配的耐受性、抑制劑和背景DNA）。此外，RPA過程中的核酸標記、RPA擴增產(chǎn)物的清理和擴增后處理也是實現(xiàn)RPA檢測的重要細節(jié)。

3.1 RPA模板、引物、探針及其設(shè)計

RPA試驗中DNA模板的GC含量應(yīng)在40%-60%之間，并且應(yīng)避免長同質(zhì)聚合物軌道、少量直接/反向重復和回文序列；引物GC含量應(yīng)在30%-70%之間，5′端應(yīng)避免鳥嘌呤長跡，推薦胞苷類；引物3′端推薦添加鳥嘌呤和胞苷，以提高性能。此外需要避免引物和探針之間的重疊，減少對擴增效率的影響。

• 模板

  RPA最初被證明是一種DNA核酸擴增方法，后來發(fā)現(xiàn)通過添加逆轉(zhuǎn)錄酶，RNA 也可以作為模板。無論和核酸模板類型如何，在試驗中推薦RPA擴增子長度應(yīng)低于500個核苷酸，大多數(shù)RPA擴增子長度在100到250個核苷酸之間，在此區(qū)間內(nèi)會產(chǎn)生快速有效的擴增。

• 引物

  與PCR不同，RPA引物的長度相對較長（建議至少為30個核苷酸，但通常在32至35個核苷酸之間）。較短的PCR引物（通常在18到25個核苷酸之間）也可以用于RPA反應(yīng)，但可能會降低反應(yīng)速度和靈敏度。

• 探針

  TaqMan等傳統(tǒng)探針不能用于RPA，PCR Taq聚合酶也與擴增系統(tǒng)不兼容，對于實時檢測通常使用2種探頭，RPA-exo或fpg。exo探針是一個長寡核苷酸（46-52個堿基），帶有內(nèi)部堿基類似物（如四氫呋喃，THF），位于熒光基團和淬滅劑之間，具有封閉的3'末端。非堿性殘基用作酸外切酶的底物，只有在探針與靶序列結(jié)合后才能切割THF，熒光產(chǎn)生通常在RPA反應(yīng)期間的5-10分鐘內(nèi)產(chǎn)生可檢測的信號。與exo探針相比，fpg探針更短（32-35個堿基），它具有5′淬滅劑和下游5-6個堿基的熒光團，通過C-O-C接頭連接到非堿性核苷酸的核糖上。fpg是一種8-氧鳥嘌呤DNA糖基化酶，它識別并切割熒光團，同時留下2個不可延伸的序列，是與核酸外切酶不同的催化模式。

3.2 溫度和攪拌的影響

反應(yīng)溫度和反應(yīng)過程中的攪拌是兩個重要的外在影響因素。

• 溫度

  推薦的RPA反應(yīng)溫度在37-42℃之間，但在低至25℃的溫度下，經(jīng)過RPA放大和隨后的側(cè)流條帶檢測，仍然可以產(chǎn)生正信號。此外，環(huán)境溫度對RPA反應(yīng)也有影響，當環(huán)境溫度低于10℃時，RPA反應(yīng)不穩(wěn)定，但延長反應(yīng)時間可以提高陽性結(jié)果的可得性。

• 攪拌與震蕩

  反應(yīng)溫度為RPA中的酶提供了合適的工作環(huán)境，而攪拌則可以增加均質(zhì)溶液反應(yīng)中RPA組分之間的相互作用。建議對RPA反應(yīng)執(zhí)行兩次混合步驟，一次在過程開始時，另一次在反應(yīng)4分鐘后。前者是混合所有RPA試劑來引發(fā)反應(yīng)，后者是為了防止反應(yīng)試劑局部耗盡，從而提高反應(yīng)速率。
  此外，在整個RPA反應(yīng)過程中不斷震蕩混勻，可以進一步加快RPA反應(yīng)速度，特別是當模板濃度接近檢測極限時，可獲得更穩(wěn)定的陽性結(jié)果，提高靈敏度。

3.3 對錯配、抑制劑和背景DNA的耐受性

除了溫度和攪拌，對錯配、抑制劑和背景DNA的耐受性也是實現(xiàn)高效、靈敏RPA反應(yīng)的重要因素。

• 錯配

  RPA具有耐錯配能力，引物5′端或中心的錯配只會輕微地影響RPA反應(yīng)，由于聚合酶從3′端延伸引物和探針，所以位于3′端的錯配對反應(yīng)有顯著影響。然而，一般的RPA錯配容忍度（在引物3′端之外）可能是有利的，因為它針對高度多態(tài)的靶標引物設(shè)計提供一定的靈活性。在高度多態(tài)的靶標中，很難定位長期保守的靶區(qū)，所以這種錯配耐受性的缺點是傾向于對密切相關(guān)的物種進行非特異性檢測。

• 抑制劑和背景DNA

  在測試臨床或現(xiàn)場樣品時，可能會在樣品制備和處理時引入干擾物質(zhì)（如抑制劑），影響核酸擴增。研究表明RPA對一些聚合酶抑制物有耐受性，例如，當血紅蛋白（20gL^-1）、肝素（0.5U）、尿液（1.25%)時對RPA反應(yīng)無影響；但在十二烷基硫酸鈉（0.05%/v/v）和尿液（10%）存在下反應(yīng)被完全抑制，同時在模板濃度接近檢測極限時，反應(yīng)更容易受到抑制劑影響。除了對抑制劑的耐受性外，RPA還能夠在背景DNA存在的情況下擴增靶核酸。

4.RPA的應(yīng)用

4.1 細菌檢測中的應(yīng)用

基于RPA和側(cè)向流試紙條的雙重檢測生物傳感器來檢測霍亂弧菌和創(chuàng)傷弧菌。該生物傳感器具有靈敏度和特異性高、反應(yīng)時間短、設(shè)備簡單等優(yōu)點，非常適合基層醫(yī)院和現(xiàn)場檢測。此外，用于檢測銅綠假單胞菌和副溶血性弧菌的重組酶聚合酶擴增結(jié)合側(cè)向流試紙條（RPA-LFS）也已經(jīng)過實驗驗證。

4.2 在真菌檢測中的應(yīng)用

目前，醫(yī)學上主要通過形態(tài)和生理表型對真菌進行檢測。此方法檢測時間長，陽性檢出率低。例如新型隱球菌是一種有條件的病原體，大多數(shù)患者有中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染癥狀，死亡率高。檢測新型隱球菌的常用方法是墨水染色和病原體培養(yǎng)。培養(yǎng)法是檢測的金標準，但培養(yǎng)時間長不利于臨床快速診斷。墨跡染色法受試樣類型限制，陽性檢出率低?；谶@種情況建立了用于目視快速檢測新型隱球菌/格特隱球菌的RPA-LFS。

4.3 在病毒檢測中的應(yīng)用

逆轉(zhuǎn)錄重組酶聚合酶擴增（RT-RPA）和RPA-LFS方法比RPA-CRISPR更早應(yīng)用，也廣泛用于病毒檢測。RPA-LFS還可以聯(lián)合檢測流行性出血性疾病病毒、血清型病毒和呼吸道合胞病毒。由于一些病毒（如胡椒黃斑病毒）在其復制周期中具有兩個階段的DNA和RNA，建立了RPA和RT-RPA來檢測病毒。RPA在病毒檢測中的應(yīng)用往往首先需要逆轉(zhuǎn)錄。如果將逆轉(zhuǎn)錄和RPA擴增分為兩個步驟，則氣溶膠產(chǎn)生和污染的風險增加。

4.4 在寄生蟲檢測中的應(yīng)用

RPA和實時熒光的結(jié)合允許實時檢測過程，并且比RPA-LFS具有更低的交叉污染風險。RT-RPA還可以針對不同寄生蟲的特定基因設(shè)計引物探針，以建立多個RT-RPA。目前多個RT-RPA已成功應(yīng)用于同時快速檢測馬泰勒氏菌和卡巴利巴貝蟲。除了傳統(tǒng)的熒光探針外，熒光染料SYBR Green I與RPA相結(jié)合也常用于檢測寄生蟲，例如諾氏瘧原蟲。RPA已成功應(yīng)用于檢測許多寄生蟲，但應(yīng)用尚未廣泛。目前的研究大多是相對簡單的RPA-LFS、實時熒光RPA等，RPA與其他方法相結(jié)合的進一步研究相對較少。

4.5 在耐藥基因檢測中的應(yīng)用

抗生素的過度使用會導致細菌耐藥，給臨床疾病的診斷和治療帶來巨大挑戰(zhàn)。細菌耐藥監(jiān)測對指導臨床用藥、避免或延緩耐藥菌株的產(chǎn)生具有重要意義，RPA的快速、高效、簡單優(yōu)勢在抗性基因檢測中發(fā)揮著重要作用。RPA具有與PCR相當?shù)臋z測能力，有時其靈敏度甚至高于PCR。

4.6 在轉(zhuǎn)基因食品檢測中的應(yīng)用

目前，基于蛋白質(zhì)水平和核酸水平檢測轉(zhuǎn)基因作物的方法主要有兩種。前者受蛋白質(zhì)變性、檢測試劑等原因的限制，無法滿足大規(guī)模轉(zhuǎn)基因作物的檢測。后者的PCR方法具有較高的靈敏度和特異性，但PCR需要復雜且昂貴的熱循環(huán)儀器，操作流程復雜，不適合現(xiàn)場檢測。建立快速便捷的檢測方法將大大提高轉(zhuǎn)基因食品的檢測效率。RPA方便高效，非常適合基層單位、倉庫、田間現(xiàn)場轉(zhuǎn)基因檢測。然而，只有少數(shù)公司銷售RPA試劑，這限制了其在轉(zhuǎn)基因食品大規(guī)模篩選中的應(yīng)用。

4.7 在SARS-CoV-2檢測中的應(yīng)用

當前檢測SARS-CoV-2的主要方法包括實時熒光定量PCR（qRT-PCR）、數(shù)字PCR和各種等溫擴增方法。其中，RT-qPCR是應(yīng)用最廣泛的方法，但對設(shè)備、檢測條件、人員操作要求較高。通過將RPA和LFS檢測系統(tǒng)集成到單個微流控芯片中，建立了用于快速檢測SARS-CoV-2的微流控集成側(cè)流RPA。封閉的微流控芯片克服了氣溶膠污染，簡便的分析系統(tǒng)降低了設(shè)備成本和人工成本。RPA還可以通過添加熒光染料SYBR Green I實時或在終點檢測SARS-CoV-2，不需要打開管子，避免氣溶膠污染，并可用肉眼觀察測試結(jié)果，且成本也低于RPA-LFS和RT-RPA。RPA對設(shè)備和現(xiàn)場檢測環(huán)境要求較低，非常適合SARS-CoV-2的現(xiàn)場篩查。

參考文獻

[1]Daher RK, Stewart G, Boissinot M, et al. Recombinase Polymerase Amplification for Diagnostic Applications[J]. Clin Chem. 2016, 62(7): 947-958.
[2]Tan M, Liao C, Liang L, et al. Recent advances in recombinase polymerase amplification: Principle, advantages, disadvantages and applications[J]. Front Cell Infect Microbiol. 2022, 12: 1019071.
[3]Li J, Macdonald J, von Stetten F. Review: a comprehensive summary of a decade development of the recombinase polymerase amplification[J]. Analyst. 2018, 144(1): 31-67.

相關(guān)產(chǎn)品

• 化學修飾熱啟動Taq酶
• 抗體修飾熱啟動Taq酶
• SRT逆轉(zhuǎn)錄酶（MMLV）
• 高保真PCR預混液（PCR Master Mix）

相關(guān)閱讀

• RT-qPCR檢測原理