基于酶促目标循环构建识别DNA、Hg2+和Pb2+的新型核酸适配体生物传感器的研究

摘要

核酸分子适配体具有稳定性好、易于合成和修饰、对靶标亲和力高、信号输出机制灵活等诸多优点，作为一种重要的分子探针，其在分析检测领域有着愈加重要的角色。高灵敏识别目标物在生化分析、临床诊断医学和环境监测等诸多方面具有着极其重要的意义。因此，基于酶催化循环放大效应或杂交链式反应等一系列信号扩增技术已经被广泛应用于核酸链、标志性蛋白质分子、金属离子和有机小分子等物质的分析识别。本文主要致力于设计几类新型的核酸分子适配体传感器以进一步提高对基因片段、重金属离子Hg2+和Pb2+等的检测特异性和灵敏度。自从Ono和Togashi研究证实两个胸腺嘧啶(thymine。T)基团可以作为配体特异性识别自由的Hg2+以来，基于T-Hg2+-T复合作用高选择性识别Hg2+的研究就已相继被报道。最近，Hsing等又证实了含有T-Hg2+-T结构的双链DNA能被核酸外切酶III催化降解。因此，利用核酸外切酶III构建促进Hg2+循环放大策略的高灵敏、高选择性检测Hg2+的传感平台也有报道。基于T-Hg2+-T结构特点和ExoШ差异化催化水解双链核酸的性质，我们也设计了两类高灵敏、高选择性的传感器来识别检测痕量Hg2+。我们结合酶促靶标循环、核酶催化、杂交链式反应和G-纳米线信号放大策略构建了4种新型适配体生物传感器并实现对DNA、Hg2+和Pb2+的高灵敏与高选择检测。具体内容如下：
　　1.基于核酸外切酶Ⅲ辅助靶标循环结合杂交链式反应的双重放大策略构建检测DNA的电化学核酸适配体传感器
　　超灵敏和高选择性地检测DNA在生态学研究、法庭验证医学、疾病基因诊断等方面扮演了越来越重要的角色。本章利用核酸外切酶Ш(Exo-III)辅助目标循环巧妙结合杂交链式反应的双重放大策略，构建了一种新型电化学核酸传感器并实现对 DNA的超灵敏、高选择性检测。我们设计出发卡状捕获探针的序列与构型，探讨了捕获探针在金电极上的组装过程。采用方波伏安法与电化学阻抗法对传感器的杂交、核酸外切酶 III剪切双链和杂交链式反应进行了表征。实验结果表明，核酸外切酶III促进靶标DNA循环并使捕获探针释放出更多的“引发链”引发杂交链式反应，实现双重信号放大，极大提高了靶目标DNA的检测灵敏度。在优化的实验条件下，构建的适配体传感器上信号链的还原峰电流值(ipc)与待测 DNA浓度对数值(lgCDNA)在1.0×10-15～1.0×10-9 M范围内呈良好的线性响应关系(r=0.9953)，检出限为0.2 fM。选择性实验结果表明该传感器能有效对全互补的靶标、单碱基错配序列、三碱基错配核酸序列及非互补序列进行特异性识别。这种双重放大策略具有通用性，为超灵敏检测不同碱基序列的DNA提供了一个普适的电化学平台（只需更换捕获探针序列和信号探针序列），特别在痕量疾病基因的早期诊断方面有巨大潜力。
　　2.基于靶标物引发核酸外切酶 III辅助循环及核酶催化信号放大技术构建检测Hg2+的免标记比色传感器
　　本章利用自由的二价汞离子（Hg2+）与胸腺嘧啶-胸腺嘧啶（T-T）错配结构高选择性配位反应与核酶催化相结合构建了免标记的比色适配体传感器。我们设计了一个含特定G-四链体序列（PS2.M）且末端有T-T错配结构的发卡状探针。验证了在T-Hg2+-T高特异性结合的情况下，核酸外切酶Ш(Exo-III)较敏感地区分双链DNA末端结构的细微差异，并催化水解那些符合条件的双链DNA末端，实现靶标物Hg2+的反复循环。进一步考察了Exo-III酶切后能释放出大量富G碱基的自由的DNA单链，单链吸附血红素后形成的过氧化物模拟酶（G-四链体/血红素）催化染料ABTS2-显色的最佳条件。实验结果显示，利用Exo-III引发目标循环与类过氧化物酶形成的双重催化的信号放大策略比色检测Hg2+的检出限被显著降低了，仅凭肉眼可检测出最低至1.0 nM浓度的Hg2+。这一方法被成功应用于嘉陵江水等实际水样的检测，Hg2+的加标回收率为95.2％～106%，有望降低安全用水重金属离子Hg2+的检测成本。
　　3.利用核酸外切酶Ш实现目标循环和G纳米丝线形成的双重放大策略构建共振瑞利散射适配体传感器实现痕量Hg2+的免标记检测
　　分子内平行结构的G-四链体结构在Mg2+诱导下形成丝线状G-纳米超分子聚合物，可使得共振瑞利散射光强度发生显著变化。但是，当含Mg2+溶液被加入到其它构型寡聚核苷酸链，如单链、双链、发卡构型、三链、i-motif状及反平行结构G-四链体等结构状态时，Mg2+不会改变这些寡聚核苷酸间的独立关系，因此共振瑞利散射光谱和强度不会产生任何改变。本章设计了一个含c-myc序列（能形成分子内平行G-四链体结构）和粘性末端含T-T错配结构的发卡状探针，利用核酸外切酶Ш选择性催化符合条件的T-Hg2+-T末端结构，实现Hg2+循环和G-纳米线的形成，从而构建一种新颖的共振瑞利散射适配体传感器免标记测定Hg2+。用凝胶电泳等实验考察了核酸外切酶Ш(Exo-III)对发卡DNA粘性末端T-T错配结构长短差异的有效识别能力，并筛选出能充分激活Exo-III活性的适配体探针。验证了Exo-III酶切反应能有效促进痕量Hg2+从发卡状探针T-Hg2+-T中释放并进入下次循环，同时发卡探针中大量的c-myc自由单链被释放出来，在Mg2+诱导下形成G-纳米线。实验结果展示，在最佳实验条件下，370 nm处共振瑞利散射光强度与Hg2+的浓度在50.0 pM～500.0 nM呈良好的线性关系(R=0.9957)，检出限为20.0 pM。该传感器能在较宽浓度范围内对Hg2+进行定量分析。选择性实验显示100倍Ca2+、Co2+、Zn2+、Fe3+、Mn2+、Cu2+无干扰。这一共振瑞利散射适配体传感器被成功应用于检测野外水样等实际样品的检测，Hg2+的加标回收率为94.0%～108.0%。
　　4.基于Pb2+-核酶体系引发目标循环并生成G-纳米线的双重信号放大技术构建免标记共振瑞利散射适配体传感器特异性识别Pb2+
　　本章基于Pb2+/8-17核酶促进Pb2+的循环切割发卡状底物特性构建了一种新型免标的共振瑞利散射适配体传感器灵敏识别Pb2+。我们设计了一个环部标记了腺嘌呤核酸核苷(rA)，茎部含c-myc序列（可形成分子内平行G-四链体结构）的发卡状底物探针。用共振瑞利散射光谱、凝胶电泳等实验考察了发卡底物探针序列结构差异对Pb2+-核酶体系催化性能的影响，筛选出能促使Pb2+-核酶高效催化剪切的发卡底物探针序列。利用共振瑞利散射谱证实在优化的实验条件下，核酶能特异性催化Pb2+切割发卡底物探针，实现Pb2+的循环和探针中c-myc序列的释放，原子力显微镜显示大量含c-myc自由单链在Mg2+诱导下形成了清晰可见的G-纳米线。实验结果结果表明，370 nm处共振瑞利散射光强度与Pb2+浓度在2.0 nM～5.0μM呈良好的线性关系(R=0.9970)。选择性实验显示100倍高浓度共存金属离子对Pb2+的检测无干扰。这一免标记的共振瑞利散射适配体传感器借助双重放大策略，为超灵敏检测一些能特异性引发核酶催化的金属离子提供了一个通用平台（只需更换核酶序列和底物探针）。

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第1章 绪 论

1.1核酸适配体

1.2核酸适配体在生物与化学传感体系中的应用

1.3 基于核酸的信号放大技术

1.4 G-四链体

1.5 本论文的主要研究内容和意义

参考文献

第2章 基于核酸外切酶Ⅲ辅助目标循环与杂交链反应双重放大技术构建DNA 电化学传感器

2.1 引言

2.2实验部分

2.3 结果与讨论

2. 4 结论

参考文献

第3章 利用核酸外切酶III辅助目标循环结合核酶催化信号放大建立免标记检测Hg2+的比色传感器

3.1 引言

3.2实验部分

3.3 结果与讨论

3. 4 结论

参考文献

第4章 利用核酸外切酶Ш实现目标循环和G纳米线形成的双重放大策略建立Hg2+的共振瑞利散射光谱检测新方法研究

4.1 引言

4.2实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 结论

参考文献

第5章 基于Pb2+-核酶体系引发目标循环并生成G-纳米线的双重信号放大技术构建免标记识别Pb2+的共振瑞利散射光谱传感器

5.1 引言

5.2实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 结论

参考文献

全文总结

攻读博士学位期间发表的论文

致谢