质粒DNA构型分离和分析方法研究进展

摘要作为基因传递的载体，质粒DNA已被广泛应用于DNA疫苗和基因治疗。质粒DNA存在不同的构型，其中超螺旋构型的质粒在细胞中的转染和表达效率最高。美国食品与药品监督管理局在2007年发布了质粒DNA疫苗的工艺指导原则，建议超螺旋构型的比例大于80%，因此建立高灵敏度和高分辨率的方法用于质粒DNA构型分离和分析具有重要意义。本文就近年来质粒DNA构型的分离和分析方法进行了综述，主要包括琼脂糖凝胶电泳法、液相色谱法和毛细管凝胶电泳法，并对未来质粒DNA构型分离和分析方法的发展提出了展望。引言质粒DNA是染色体（或拟核）外稳定存在的遗传物质，具有自主复制的能力，广泛存在于细菌、真菌、酵母菌和放线菌等生物体内。通常，来自细菌的质粒是双链、共价闭合的环状DNA分子，以超螺旋（SC）构型存在。在提取、纯化和保存过程中，细菌质粒会发生降解，单链断裂会使SC构型转变成开环（OC）构型，双链断裂会变成线性（L）构型。在3种构型中，SC构型的质粒最稳定，且在细胞中的转化和表达效率也最高。细菌质粒是基因工程中最常用的载体。它能携带目的基因进入受体细胞中，并促使目的基因在受体细胞中表达。目前，质粒已经成为DNA疫苗开发的一种流行的基因传递载体，用于癌症、过敏、自身免疫和传染病的治疗。与常规的蛋白或者肽疫苗相比，DNA疫苗更稳定、成本更低、制造更简单且安全性更高。迄今为止，在美国登记的DNA疫苗临床试验项目已经超过500项，主要针对病毒感染和癌症。此外，质粒还被用作基因治疗中腺相关病毒载体和CAR-T细胞治疗中慢病毒载体的构建。近来，质粒还被作为非病毒基因传递系统的一部分，用于表皮生长因子受体特异性CAR-T细胞的产生。作为基因治疗和细胞治疗的关键原材料，质粒产品的质量至关重要。各国监管机构纷纷出台相应的规定，对质粒产品的纯度、安全性和有效性等做了严格的要求。其中，SC构型质粒比例是衡量产品质量的重要指标，但由于其构型的多样性和复杂性，使得分离和分析较为困难。本文就琼脂糖凝胶电泳法、液相色谱法和毛细管凝胶电泳法在质粒构型分离和分析中的研究进展进行了评述，并对未来质粒构型分离和分析方法的发展提出了展望。正文部分1

琼脂糖凝胶电泳法琼脂糖凝胶电泳（AgaroseGelElectrophoresis，AGE）是DNA分析的常用技术之一，具有操作简单、快速和分离范围广等优点，被广泛应用于基础理论研究、农业科学、医学卫生和工业生产等许多领域。AGE法采用琼脂糖作为电泳支持介质，分析原理基于电泳和分子筛双重作用。DNA在电泳的过程中带负电荷，在电场的作用下由负极向正极迁移。不同大小和构型的DNA在琼脂糖凝胶中的迁移速度不同，从而达到分离的目的。2

液相色谱法液相色谱法（LiquidChromatography，LC）是根据待测样品中的各组份在固-液两相之间分配行为的差异而进行分离的方法。根据分离模式不同，用于质粒DNA构型分离和分析的LC方法包括阴离子交换色谱法、亲和色谱法、疏水作用色谱法和多峰色谱法等。2.1

阴离子交换色谱法与OC构型和L构型质粒相比，SC构型质粒的结构更紧密，电荷密度更高。利用它们的电荷密度差异，可以使用阴离子交换色谱法（AnionExchangeChromatography，AEC）来分离和分析质粒的构型。但是在不同的离子交换色谱柱中3种构型的质粒出峰顺序并不一致，且分离性能也不尽相同。2.2

亲和色谱法亲和色谱法（AffinityChromatography，AC）是基于目标生物分子与载体上特定配体的可逆相互作用来分离和分析生物分子的色谱方法。配体和目标生物分子之间的相互作用包括静电作用、疏水作用、氢键、范德华力、配位键和弱共价键等，可利用竞争性配体进行特异性洗脱，也可采用改变pH值、离子强度和极性等非特异性洗脱方式进行洗脱。AC法具有选择性高、特异性好和分辨率高等优势，在质粒纯化和分析中深受研究者的青睐。2.3

疏水作用色谱法作为质粒纯化和构型分离的工具，疏水作用色谱（HydrophobicInteractionChromatography，HIC）受到了极大的关注。HIC中质粒DNA的分离依赖于通过疏水载体的流动相缓冲液中的盐浓度，高浓度的盐能增强质粒DNA与疏水载体的相互作用，反之亦然。HIC分离包括4步：平衡、样品应用、洗脱和再生。平衡步骤是通过含有盐的缓冲液来制备用于分离的固定相；样品应用步骤将样品引入固定相，并通过中等浓度的盐洗涤弱结合的物质；洗脱阶段通过梯度降低盐浓度来分离质粒DNA的异构体；最后一步是固定相的再生，除去所有强作用的分子。HIC的条件温和，具有极好的回收率。2.4

多峰色谱法多峰色谱（MultimodalChromatography，MMC），又叫混合模式色谱，是近年来兴起的一种具有潜力的色谱方法。该方法在固定相载体上修饰具有多个活性位点的配体，这种配体在相同条件下可以表现出多种相互作用，利用该优势可以实现质粒DNA异构体的分离和分析。3

毛细管凝胶电泳法毛细管凝胶电泳（CapillaryGelElectrophoresis，CGE）是毛细管电泳的一种分离模式，主要适用于蛋白质、核酸等生物大分子的分离，具有高效、微量、灵敏及自动化等特点。3.1

CGE分离介质CGE分离介质主要包括化学胶和物理胶两大类。化学胶是指交联或化学键合到毛细管壁上粘度较高的凝胶，物理胶则指不交联或键合到管壁上粘度较低的高分子溶液。3.2

CGE分离通道毛细管是CGE的分离通道，毛细管壁的性质直接影响质粒DNA不同构型的分离效果。对于非涂层毛细管来说，电渗流是最大的驱动力来源之一。电渗流情况的存在，能够有效增加分离的速度，但是也减少了分离的时间和分离的有效距离，电渗流的波动也极大影响了迁移时间的重复性。许多研究工作采用未涂层的毛细管来分离质粒DNA异构体，通过优化一些实验参数，如缓冲溶液的浓度、酸碱度、筛分聚合物的浓度和聚合物分子长度等条件，来减少电渗流对质粒DNA异构体分离效果的影响，但是效果往往不佳。3.3

CGE检测模式毛细管电泳中应用最多的检测器是紫外（UV）检测器，其次是荧光检测器。激光诱导荧光（LIF）检测器是荧光检测器的一种，它采用激光作为激发源，具有极窄的带宽、高空间相干性和可忽略的色差，很容易聚焦到毛细管的微通道上。自从Gassmann等首次将LIF检测器引入到毛细管电泳以来，毛细管电泳的灵敏度和特异性得到了显著的提高。4

展望展望质粒DNA构型的分离和分析，对于质粒DNA的纯化、质量评估以及稳定性监测等具有重要意义。AGE作为最早应用于质粒DNA构型分离和分析的技术，具有操作简单、快速和分离范围广等优点。然而，灵敏度低和重复性差限制了其在治疗用质粒DNA分离和分析中的应用。液相色谱中，AEC仍然是质粒DNA异构体分离和分析的主要手段。AC具有较高的选择性、特异性和分辨率等优势，在质粒纯化和分析中受到了研究者广泛的关注。近年来发展起来的MMC允许在单个色谱程序中同时与样品进行一次以上的相互作用，成为非常有潜力的质粒分