Abstract
Membrane proteins are vital components of the cell membrane and play crucial roles in various cellular activities. Analysis of membrane proteins is of paramount importance for studying molecular events inside cells and organisms and holds promising prospects for early disease diagnosis and treatment assessment. Benefiting from obvious merits including high affinity, high specificity and ease of modification, aptamers have been regarded as ideal molecular recognition elements in membrane protein analysis and molecular diagnostics strategies. This review summarised recent advances in membrane protein-specific aptamer screening, aptamer-based static and dynamic membrane protein analysis, and aptamer-based molecular diagnostic techniques. Prospects and challenges were also discussed.
Similar content being viewed by others
References
Uhlén M., Fagerberg L., Hallström B. M., Lindskog C., Oksvold P., Mardinoglu A., Sivertsson Å., Kampf C., Sjöstedt E., Asplund A., Olsson I., Edlund K., Lundberg E., Navani S., Szigyarto C. A.-K., Odeberg J., Djureinovic D., Takanen J. O., Hober S., Alm T., Edqvist P.-H., Berling H., Tegel H., Mulder J., Rockberg J., Nilsson P., Schwenk J. M., Hamsten M., von Feilitzen K., Forsberg M., Persson L., Johansson F., Zwahlen M., von Heijne G., Nielsen J., Pontén F., Science, 2015, 347, 1260419
Chatzi K. E., Sardis M. F., Karamanou S., Economou A., Biochem. J., 2013, 449, 25
Hedin L. E., Illergard K., Elofsson A., J Proteome Res., 2011, 10, 3324
Oradd F., Andersson M., J. Membr. Biol., 2021, 254, 51
Zhang K., Gao H., Deng R., Li J., Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 4790
Caricasole A., Copani A., Caruso A., Caraci F., Iacovelli L., Sortino M. A., Terstappen G. C., Nicoletti F., Trends Pharmacol. Sci., 2003, 24, 233
Loibl S., Gianni L., Lancet, 2017, 389, 2415
Famulok M., Hartig J. S., Mayer G., Chem. Rev., 2007, 107, 3715
Levy-Nissenbaum E., Radovic-Moreno A. F., Wang A. Z., Langer R., Farokhzad O. C., Trends in Biotech., 2008, 26, 442
Pestourie C., Tavitian B., Duconge F., Biochimie, 2005, 87, 921
Meng H.-M., Liu H., Kuai H., Peng R., Mo L., Zhang X.-B., Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 2583
Ellington A. D., Szostak J. W., Nature, 1990, 346, 818
Tuerk C., Gold L., Science, 1990, 249, 505
Tan W., Donovan M. J., Jiang J., Chem. Rev., 2013, 113, 2842
Fang X., Tan W., Acc. Chem. Res., 2009, 43, 48
Kong H. Y., Byun J., Biomol Ther., 2013, 21, 423
Ababneh N., Alshaer W., Al-Louzi O., Mahafzah A., El-Khateeb M., Hillaireau H., Noiray M., Fattal E., Ismail S., Nucleic Acid Therapeutics, 2013, 23, 401
Song Z., Mao J., Barrero R.A., Wang P., Zhang F., Wang T., Molecules, 2020, 25, 5585
Meng H.-M., Fu T., Zhang X.-B., Tan W., Natl. Sci. Rev., 2015, 2, 71
Shangguan D., Li Y., Tang Z., Cao Z. C., Chen H. W., Mallikaratchy P., Sefah K., Yang C. J., Tan W., P. N. A. S., 2006, 103, 11838
Lin M., Zhang J., Wan H., Yan C., Xia F., ACS Appl. Mater. Inter., 2020, 13, 9369
Zhu H., Wu E., Pan Z., Zhang C., Zhang Y., Liao Q., Wang Y., Sun Y., Ye M., Wu W., Anal. Chem., 2023, 95, 3238
Fang X., Tan W., Acc. Chem. Res., 2010, 43, 48
Gao T., Mao Z., Li W., Pei R., J. Mater. Chem. B, 2021, 9, 746
Bayat P., Taghdisi S. M., Rafatpanah H., Abnous K., Ramezani M., Talanta, 2019, 194, 399
Raddatz M.-S. L., Dolf A., Endl E., Knolle P., Famulok M., Mayer G., Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 5190
Mayer G., Ahmed M.-S. L., Dolf A., Endl E., Knolle P. A., Famulok M., Nat. Protoc., 2010, 5, 1993
Hicke B. J., Marion C., Chang Y.-F., Gould T., Lynott C. K., Parma D., Schmidt P. G., Warren S., J. Bio. Chem., 2001, 276, 48644
Souza A. G., Marangoni K., Fujimura P. T., Alves P. T., Silva M. J., Bastos V. A. F., Goulart L. R., Goulart V. A., Experimental Cell Research, 2016, 341, 147
Lao Y.-H., Phua K. K. L., Leong K. W., ACS Nano, 2015, 9, 2235
Chushak Y., Stone M. O., Nucleic Acids Res., 2009, 37, 87
Manju N., Samiha C. M., Kumar S. P. P., Gururaj H. L., Flammini F., IEEE Access, 2022, 10, 49677
Sun D., Sun M., Zhang J., Lin X., Zhang Y., Lin F., Zhang P., Yang C., Song J., TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2022, 157, 116767
Camorani S., Esposito C. L., Rienzo A., Catuogno S., Iaboni M., Condorelli G., de Franciscis V., Cerchia L., Molecular Therapy, 2014, 22, 828
Hu Y., Duan J., Zhan Q., Wang F., Lu X., Yang X.-D., PLoS One, 2012, 7, 31970
Wang D.-L., Song Y.-L., Zhu Z., Li X.-L., Zou Y., Yang H.-T., Wang J.-J., Yao P.-S., Pan R.-J., Yang C. J., Kang D.-Z., Biochem. Bio. Res. Co., 2014, 453, 681
Gao T., Ding P., Li W., Wang Z., Lin Q., Pei R., Nanoscale, 2020, 12, 22574
Fafińska J., Czech A., Sitz T., Ignatova Z., Hahn U., Nucleic Acid Therapeutics, 2018, 28, 326
Du J., Hong J., Xu C., Cai Y., Xiang B., Zhou C., Xu X., BioMed. Res. Int., 2015, 2015, 1
Bing T., Shangguan D., Wang Y., Molecular & Cellular Proteomics, 2015, 14, 2692
Plummer K. A., Carothers J. M., Yoshimura M., Szostak J. W., Verdine G. L., Nucleic Acids Res., 2005, 33, 5602
Jeon W., Lee S., Dh M., Ban C., Anal. Biochem., 2013, 439, 11
Lin C. Y., Lee C. H., Chuang Y. H., Lee J. Y., Chiu Y. Y., Wu Lee Y. H., Jong Y. J., Hwang J. K., Huang S. H., Chen L. C., Wu C. H., Tu S. H., Ho Y. S., Yang J. M., Nat. Commun., 2019, 10, 3131
Huang H., Groth J., Sossey-Alaoui K., Hawthorn L., Beall S., Geradts J., Clinic. Cancer Res., 2005, 11, 4357
Hosonaga M., Arima Y., Kohno N., Saya H., J. Clini. Oncol., 2014, 32, 11572
Chen Y., Munteanu A. C., Huang Y. F., Phillips J., Zhu Z., Mavros M., Tan W., Chemistry, 2009, 15, 5327
Shi H., He X., Wang K., Wu X., Ye X., Guo Q., Tan W., Qing Z., Yang X., Zhou B., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2011, 108, 3900
Zhao G., Li H., Gao J., Cai M., Xu H., Shi Y., Wang H., Wang H., Anal. Chem., 2021, 93, 14113
Letschert S., Göhler A., Franke C., Bertleff-Zieschang N., Memmel E., Doose S., Seibel J., Sauer M., Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 10921
Chen J., Li H., Wu Q., Yan Q., Sun J., Liang F., Liu Y., Wang H., Anal. Chem., 2021, 93, 936
Strauss S., Nickels P. C., Strauss M. T., Jimenez Sabinina V., Ellenberg J., Carter J. D., Gupta S., Janjic N., Jungmann R., Nature Methods, 2018, 15, 685
Vaught J. D., Bock C., Carter J., Fitzwater T., Otis M., Schneider D., Rolando J., Waugh S., Wilcox S. K., Eaton B. E., J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 4141
Rohloff J. C., Gelinas A. D., Jarvis T. C., Ochsner U. A., Schneider D. J., Gold L., Janjic N., Mol. Ther. Nucleic Acids, 2014, 3, 201
Jiang Y., Shi M., Liu Y., Wan S., Cui C., Zhang L., Tan W., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2017, 56, 11916
Li L., Wang Q., Feng J., Tong L., Tang B., Anal. Chem., 2014, 86, 5101
Chen Y., Munteanu A. C., Huang Y. F., Phillips J., Zhu Z., Mavros M., Tan W., Chemistry, 2009, 15, 5327
Rubin C. S., Rosen O. M., Annual Rev. Biochem., 1975, 44, 831
Paik W. K., Paik D. C., Kim S., Trends. Biochem. Sci., 2007, 32, 146
Zhao S., Xu W., Jiang W., Yu W., Lin Y., Zhang T., Yao J., Zhou L., Zeng Y., Li H., Science, 2010, 327, 1000
Paleček E., Tkáč J., Bartosik M., Bertók T. S., Ostatná V., Paleček J., Chem. Rev., 2015, 115, 2045
Pinho S. S., Reis C. A., Nature Rev. Cancer, 2015, 15, 540
Brownlee M. D. M., Annual Rev. Med., 1995, 46, 223
Liddy K. A., White M. Y., Cordwell S. J., Genome Medicine, 2013, 5, 1
Saxon E., Bertozzi C. R., Science, 2000, 287, 2007
Jewett J.C., Bertozzi C. R., Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 1272
Robinson P. V., de Almeida-Escobedo G., de Groot A. E., McKechnie J. L., Bertozzi C. R., J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 10452
Piston D. W., Kremers G.-J., Trends Biochem. Sci., 2007, 32, 407
Yuan B., Chen Y., Sun Y., Guo Q., Huang J., Liu J., Meng X., Yang X., Wen X., Li Z., Li L., Wang K., Anal. Chem., 2018, 90, 6131
Liu Z., Liang Y., Cao W., Gao W., Tang B., Anal. Chem., 2021, 93, 8915
Li J., Liu S., Sun L., Li W., Zhang S.-Y., Yang S., Li J., Yang H.-H., J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 16589
Huang M., Zhu L., Kang S., Chen F., Wei X., Lin L., Chen X., Wang W., Zhu Z., Yang C., Song Y., Anal. Chem., 2021, 93, 15958
Tommasone S., Allabush F., Tagger Y. K., Norman J., Kopf M., Tucker J. H. R., Mendes P. M., Chem. Soc. Rev., 2019, 48, 5488
Li M., Lin N., Huang Z., Du L., Altier C., Fang H., Wang B., J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 12636
Díaz-Fernández A., Miranda-Castro R., de-los-Santos-Álvarez N., Rodríguez E. F., Lobo-Castañón M. J., Biosens. Bioelectron., 2019, 128, 83
Yoshikawa A. M., Rangel A., Feagin T., Chun E. M., Wan L., Li A., Moeckl L., Wu D., Eisenstein M., Pitteri S., Soh H. T., Nat Commun., 2021, 12, 7106
Cui Y., Yu M., Yao X., Xing J., Lin J., Li X., Molecular Plant, 2018, 11, 1315
Kusumi A., Tsunoyama T. A., Hirosawa K. M., Kasai R. S., Fujiwara T. K., Nat. Chem. Bio., 2014, 10, 524
Wolfbeis O. S., Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 4743
Howarth M., Takao K., Hayashi Y., Ting A. Y., P. N. A. S., 2005, 102, 7583
Chen L. Q., Xiao S. J., Hu P. P., Peng L., Ma J., Luo L. F., Li Y. F., Huang C. Z., Anal. Chem., 2012, 84, 3099
Delcanale P., Porciani D., Pujals S., Jurkevich A., Chetrusca A., Tawiah K. D., Burke D. H., Albertazzi L., Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 18546
Shen H., Tauzin L. J., Baiyasi R., Wang W., Moringo N., Shuang B., Landes C. F., Chem Rev., 2017, 117, 7331
Zhang L., Chu M., Ji C., Wei J., Yang Y., Huang Z., Tan W., Tan J., Yuan Q., Anal. Chem., 2022, 94, 17413
Albright S., Cacace M., Tivon Y., Deiters A., J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 16458
Du Y., Lyu Y., Li S., Ding D., Chen J., Yang C., Sun Y., Qu F., Xiao Z., Jiang J., Tan W., Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 62, 202215387
Klemm J. D., Schreiber S. L., Crabtree G. R., Annu. Rev. Immunol., 1998, 16, 569
Hynes N. E., Lane H. A., Nature Rev. Cancer, 2005, 5, 341
You M., Lyu Y., Han D., Qiu L., Liu Q., Chen T., Sam Wu C., Peng L., Zhang L., Bao G., Tan W., Nat. Nanotechnol., 2017, 12, 453
Fredriksson S., Gullberg M., Jarvius J., Olsson C., Pietras K., Gústafsdóttir S. M., Östman A., Landegren U., Nat. Biotechnol., 2002, 20, 473
Liang H., Chen S., Li P., Wang L., Li J., Li J., Yang H. H., Tan W., J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 4186
Wang L., Li W., Sun J., Zhang S.-Y., Yang S., Li J., Li J., Yang H. H., Anal. Chem., 2018, 90, 14433
Li Y., Zhang X., Pan W., Li N., Tang B., Anal. Chem., 2020, 92, 11921
Bing T., Shen L., Wang J., Wang L., Liu X., Zhang N., Xiao X., Shangguan D., Adv. Sci., 2019, 6, 1900143
Dong C., Fang X., Qin X., Wang Y., Zhang J., Song C., Wang L., Anal. Chem., 2023, 95, 6810
Keskin O., Gursoy A., Ma B., Nussinov R., Chem. Rev., 2008, 108, 1225
Massimino M. L., Simonato M., Spolaore B., Franchin C., Arrigoni G., Marin O., Monturiol-Gross L., Fernandez J., Lomonte B., Tonello F., Sci. Rep., 2018, 8, 10619
Zhu L., Xu Y., Wei X., Lin H., Huang M., Lin B., Song Y., Yang C., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2021, 60, 18111
Mori T., Oguro A., Ohtsu T., Nakamura Y., Nucleic. Acids Res., 2004, 32, 6120
Zhang H. Q., Li X. F., Le X. C., Anal. Chem., 2009, 81, 7795
Lee H., Kim T. H., Park D., Jang M., Chung J. J., Kim S. H., Kim S. H., Lee K. H., Jung Y., Oh S. J., Pharmaceutics, 2020, 12, 689
Sengupta P., Jovanovic-Talisman T., Skoko D., Renz M., Veatch S. L., Lippincott-Schwartz J., Nature Methods, 2011, 8, 969
Eraslan G., Avsec Ž., Gagneur J., Theis F.J., Nat. Rev. Genet., 2019, 20, 389
Hollingsworth M. A., Swanson B. J., Nature Rev. Cancer, 2004, 4, 45
Zhang Y., Chen W., Fang Y., Zhang X., Liu Y., Ju H., J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 15233
You M., Peng L., Shao N., Zhang L., Qiu L., Cui C., Tan W., J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 1256
You M., Zhu G., Chen T., Donovan M. J., Tan W., J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 667
Feng C., Chen T., Mao D., Zhang F., Tian B., Zhu X., ACS Sens., 2020, 5, 3116
El Andaloussi S., Mäger I., Breakefield X. O., Wood M. J. A., Nat. Rev. Drug Discov., 2013, 12, 347
Yan H., Li Y., Cheng S., Zeng Y., Anal. Chem., 2021, 93, 4739
Im H., Shao H., Park Y. I., Peterson V. M., Castro C. M., Weissleder R., Lee H., Nat. Biotechnol., 2014, 32, 490
Fan Q., Yang L., Zhang X., Peng X., Wei S., Su D., Zhai Z., Hua X., Li H., Cancer Lett., 2018, 414, 107
Hoshino A., Kim H. S., Bojmar L., Gyan K. E., Cioffi M., Hernandez J., Zambirinis C. P., Rodrigues G., Molina H., Heissel S., Mark M. T., Steiner L., Benito-Martin A., Lucotti S., Di Giannatale A., Offer K., Nakajima M., Williams C., Nogués L., Pelissier Vatter F. A., Hashimoto A., Davies A. E., Freitas D., Kenific C. M., Ararso Y., Buehring W., Lauritzen P., Ogitani Y., Sugiura K., Takahashi N., Aleckovic M., Bailey K. A., Jolissant J. S., Wang H., Harris A., Schaeffer L. M., García-Santos G., Posner Z., Balachandran V. P., Khakoo Y., Raju G. P., Scherz A., Sagi I., Scherz-Shouval R., Yarden Y., Oren M., Malladi M., Petriccione M., De Braganca K. C., Donzelli M., Fischer C., Vitolano S., Wright G. P., Ganshaw L., Marrano M., Ahmed A., DeStefano J., Danzer E., Roehrl M. H. A., Lacayo N. J., Vincent T. C., Weiser M. R., Brady M. S., Meyers P. A., Wexler L. H., Ambati S. R., Chou A. J., Slotkin E. K., Modak S., Roberts S. S., Basu E. M., Diolaiti D., Krantz B. A., Cardoso F., Simpson A. L., Berger M., Rudin C. M., Simeone D. M., Jain M., Ghajar C. M., Batra S. K., Stanger B. Z., Bui J., Brown K. A., Rajasekhar V. K., Healey J. H., De Sousa M., Kramer K., Sheth S., Baisch J., Pascual V., Heaton T. E., La Quaglia M. P., Pisapia D. J., Schwartz R., Zhang H., Liu Y., Shukla A., Blavier L., DeClerck Y. A., LaBarge M., Bissell M. J., Caffrey T. C., Grandgenett P. M., Hollingsworth M. A., Bromberg J., Costa-Silva B., Peinado H., Kang Y., Garcia B. A., O’Reilly E. M., Kelsen D., Trippett T. M., Jones D. R., Matei I.R., Jarnagin W. R., Lyden D., Cell, 2020, 182, 1044
Li Y., Deng J., Han Z., Liu C., Tian F., Xu R., Han D., Zhang S., Sun J., J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 1290
Yu Y., Guo Q., Jiang W., Zhang H., Cai C., Anal. Chem., 2021, 93, 11298
Wu N., Zhang X.-Y., Xia J., Li X., Yang T., Wang J.-H., ACS Nano, 2021, 15, 19522
Cristiano S., Leal A., Phallen J., Fiksel J., Adleff V., Bruhm D. C., Jensen S. Ø., Medina J. E., Hruban C., White J. R., Palsgrove D. N., Niknafs N., Anagnostou V., Forde P., Naidoo J., Marrone K., Brahmer J., Woodward B. D., Husain H., van Rooijen K. L., Ørntoft M.-B. W., Madsen A. H., van de Velde C. J. H., Verheij M., Cats A., Punt C.J.A., Vink G. R., van Grieken N.C.T., Koopman M., Fijneman R. J. A., Johansen J. S., Nielsen H. J., Meijer G. A., Andersen C. L., Scharpf R. B., Velculescu V. E., Nature, 2019, 570, 385
Pastorino U., Silva M., Sestini S., Sabia F., Boeri M., Cantarutti A., Sverzellati N., Sozzi G., Corrao G., Marchiano A., Anna. Oncol., 2019, 30, 1162
Crosby D., Bhatia S., Brindle K. M., Coussens L. M., Dive C., Emberton M., Esener S., Fitzgerald R. C., Gambhir S. S., Kuhn P., Rebbeck T. R., Balasubramanian S., Science, 2022, 375, 9040
Xiao S., Yao Y., Liao S., Xu B., Li X., Zhang Y., Zhang L., Chen Q., Tang H., Song Q., Dong M., Nano Lett., 2023, 23, 8115
Li P., Yu X., Han W., Kong Y., Bao W., Zhang J., Zhang W., Gu Y., ACS Sens., 2019, 4, 1433
Liu C., Zhao J., Tian F., Cai L., Zhang W., Feng Q., Chang J., Wan F., Yang Y., Dai B., Cong Y., Ding B., Sun J., Tan W., Nat. Biomed. Eng., 2019, 3, 183
Tian F., Zhang S., Liu C., Han Z., Liu Y., Deng J., Li Y., Wu X., Cai L., Qin L., Chen Q., Yuan Y., Liu Y., Cong Y., Ding B., Jiang Z., Sun J., Nat. Commun., 2021, 12, 2536
Li J., Li Y., Li Q., Sun L., Tan Q., Lu Y., Zhu J., Qu F., Tan W., Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202314262
Zhou X., Jia Y., Mao C., Liu S., Cancer Lett., 2024, 580, 216481
Emami N., Pakchin P. S., Ferdousi R., J. Theor. Biol., 2020, 497, 110268
Thirunavukarasu D., Chen T., Liu Z., Hongdilokkul N., Romesberg F. E., J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 2892
Acknowledgements
This work was supported by the National Key Research and Development Project, China (No. 2020YFA0909000), the National Natural Science Foundation of China (No. 22107027), the Natural Science Foundation of Hunan Province, China (No. 2023JJ20003), and the Scientific Research Program of Furong Laboratory, China (No. 2023SK2088).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding authors
Ethics declarations
TAN Weihong is an editorial board member for Chemical Research in Chinese Universities and was not involved in the editorial review or the decision to publish this article. YUAN Quan is a youth executive editorial board member for Chemical Research in Chinese Universities and was not involved in the editorial review or the decision to publish this article. The authors declare no conflicts of interest.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Zhao, L., Hu, H., Ma, X. et al. Aptamer-based Membrane Protein Analysis and Molecular Diagnostics. Chem. Res. Chin. Univ. 40, 173–189 (2024). https://doi.org/10.1007/s40242-024-4008-6
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s40242-024-4008-6