基因检测和点突变识别的DNA探针及适配体生物传感新方法研究

摘要

随着人类基因组计划的完成和功能蛋白质组学的研究进展，建立简单、灵敏、快速、特异性强、高通量的蛋白质和基因检测方法，已成为分析科学家们研究的重点之一。核酸碱基的突变与人类许多疾病有着直接的关系，因此实现单核苷酸突变准确灵敏的检测对疾病的早期诊断也有着重要的意义。核酸适配体是近年来发展起来的一类经体外人工进化程序筛选出的寡聚核苷酸。 由于其不但和抗体一样能与配体高效、特异性地结合，而且具有许多抗体无法比拟的优点，因此将核酸适配体应用于生物传感器实现对包括蛋白质、小分子等目标物的检测有着巨大的发展潜力。 鉴于电化学及压电检测技术所需仪器简单、检测成本低、易于实现微型化，且灵敏度较高等优点，本研究论文针对当前传感器设计中的探针固定化和检测方法两个关键技术，在电化学及压电DNA传感器用于基因检测和点突变识别以及电化学适配体传感器两方面开展了一些新方法研究工作。具体内容如下： (1)在第2章中，研制出一种新型的基于纳米多孔CeO2/壳聚糖复合膜的固定基质。用它来固定单链DNA探针，构建了检测与结肠癌高度相关的基因序列的电化学DNA生物传感器。该固定基质制备方法简单，成本低，结合了CeO2和壳聚糖的优点，具有良好的生物兼容性，无毒性和优越的电子传导性。将其用于固定结肠癌基因的互补探针序列，能够显著增强ssDNA探针在电极表面的负载量。制得的传感器检测目标的线性范围在1.6×10-11-1.2×10-7M，检测下限为1.0×10-11 M，具有识别完全互补目标序列和四碱基错配序列的能力。 (2)在第3章中，基于连接酶的高保真性和生物催化沉积反应，提出了用于高特异性识别单碱基突变的压电检测方法。实验中，目标DNA链先与连接在石英晶振上的DNA捕获探针杂交，再与生物素标记的等位特异性DNA检测探针杂交。只有在目标DNA链和检测探针完全匹配时，连接反应才能发生，即将捕获探针和检测探针相连接。否则，即使只有一个等位错配的基因，连接反应也不会发生。经过高温热处理，形成的双链解开，只有与目标链完全匹配的检测探针保留在电极表面。生物素化的检测探针继而与链酶亲和素化的辣根过氧化物(SA-HRP)绑定，辣根过氧化物催化过氧化氢氧化底物中的3，3-二氨基联苯胺(DAB)在电极表面生成不溶性沉淀物，使压电频率响应显著增大。用该方法对β-地中海贫血基因-28位密码子的突变情况进行了检测，使突变型和野生型得到了很好的区分，对目标的检测线性范围为0.7-100 nM，检测下限达0.1 nM，是一个低成本高效率的检测方法。 (3)在第4章中，基于等位基因特异性延伸法，结合酶催化银沉积的放大体系，提出了用于单碱基突变的电化学检测方法。首先，在金电极表面固定的等位特异性捕获探针。由于其与野生型目标链完全互补，在聚合酶的作用下能够发生延伸反应；而突变型目标链由于3’端与捕获探针发生错配，延伸反应不能进行，从而实现对突变型和野生型基因的区分。用1 M NaOH进行解链处理后，双链结构解开，目标链从电极表面脱落。在电极表面滴加与探针延伸部分相互补的生物素化的检测探针后，只有发生延伸反应的捕获探针链会进一步与生物素化的检测探针杂交，并引入链亲和素化的碱性磷酸酶，继而发生酶催化沉积银的反应。通过线性扫描伏安法可以检测出电极表面沉积的银。该方法成功用于β-地中海贫血基因-28位密码子单碱基突变的区分和定量检测，简单、快速、灵敏度高，线性范围为3.0×10-16-3.0×10-8M，检测下限为1.0×10-16M。 (4)在第5章中，报道了基于目标物诱导置换适配体的无标记电化学传感器，用于以腺苷为分析物模型的目标物检测。该传感器使用1，6-巯基己醇自组装层修饰的金电极为传感基底，以巯基己醇为媒介组装金纳米颗粒层，能够增加巯基捕获探针的表面负载量，提高信号强度。含有腺苷适配体序列的一段寡核苷酸序列一部分可与捕获探针杂交，在电极表面形成捕获探针与适配体的双链复合物。含有腺苷的分析物的加入，把腺苷适配体序列置换下来，使其从电极表面解离，从而减少了电极表面核酸链的数量，使与核酸作用的电化学活性指示剂亚甲基蓝的量相应减少。指示剂的还原电流的大小能够反映被分析物的浓度。构造的传感器简单、快速、灵敏、选择性好，线形范围为5.1000 nM，检测下限为1 nM，同时具有简便快速的再生能力。 (5)在第6章中，报道了基于抗体与生物素标记的适配体新型夹心的酶放大电化学免疫传感器，用于免疫球蛋白E(IgE)的检测。IgE多克隆抗体作为捕获探针通过半胱胺自组装层以及交联剂戊二醛的作用共价固定在金电极表面，与目标物发生免疫反应后，继续捕获生物素化的IgE适配体的检测探针，从而形成一种新型的夹心结构。之后，通过生物素与亲和素的特异性亲和作用，亲和素标记的碱性磷酸酯酶能与电极表面适配体上的生物素相结合，促使碱性磷酸酯酶催化底物抗坏血酸磷酸酯水解成强还原剂抗坏血酸，并将底液中的银离子还原成单质银，沉积到电极表面。沉积的银的量与电极表面捕获的目标IgE的量成正比，可以用溶出伏安法来定量。结果表明，该免疫传感器结合了抗体和适配体的双重特异性，并利用了酶催化银沉积体系的高灵敏性，检测目标蛋白的灵敏度高、特异性好，线性范围为0.1-100 nM，检测下限为0.02 nM。 (6)第7章，同样基于抗体与适配体的新型夹心结构，构建了纳米金/壳聚糖电化学沉积复合膜的新型固定基质用于抗体的固定，采用亚甲基蓝为电活性指示剂，报道了检测凝血酶的无标记电化学方法。该复合膜结合了纳米金和壳聚糖独特的性能，提高了传感器的导电性能以及负载量。实验考察了纳米金/壳聚糖电化学沉积条件，并用扫描电子显微镜对该膜进行了表征。 在这个工作中，在不改变适配体与目标物结合作用的基础上，对原凝血酶的适配体序列进行了适当延伸，以提高亚甲基蓝嵌入适配体中的量，增强信号响应。传感器构造方法简单、价格低廉，无需对探针进行任何修饰，凝血酶的线性响应范围是1-60 nM，检测下限为0.5 nM。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪 论

1.1用于基因序列检测和点突变识别的DNA生物传感器

1.1.1基因序列和点突变的检测意义

1.1.2 DNA生物传感器的概念和分类

1.1.3核酸探针的设计

1.1.4核酸探针在基底表面的固定

1.1.5基因检测与SNP识别的电化学及压电检测方法

1.2基于核酸适配体的电化学生物传感器

1.2.1适配体的概念及SELEX技术原理

1.2.2适配体与靶物质的作用原理

1.2.3适配体用于生物传感器的优点

1.2.4基于适配体的电化学生物传感器检测方法研究现状

1.3 DNA和适配体生物传感器的发展趋势及前景展望

1.4本论文的工作构想

第2章基于纳米多孔CeO2/壳聚糖复合膜固定基质的电化学结肠癌DNA传感器研究

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1试剂与材料

2.2.2仪器

2.2.3 CeO2/CHIT溶液的制备

2.2.4电极修饰

2.2.5 ssDNA探针在修饰玻碳电极上的固定化

2.2.6电极表面的杂交反应

2.2.7与亚甲基蓝反应

2.2.8电化学检测

2.3结果与讨论

2.3.1 CeO2/CHIT复合膜的形态

2.3.2修饰玻碳电极的电化学特性

2.3.3 ssDNA在电极上的负载

2.3.4试验条件的优化

2.3.5校正曲线

2.3.6 DNA生物传感器的选择性

2.3.7 DNA生物传感器的重现性

2.4小结

第3章基于DNA连接酶反应与生物催化沉积放大的压电方法用于单碱基突变的检测研究

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1试剂

3.2.2 QCM装置

3.2.3捕获探针的固定

3.2.4 DNA杂交及连接反应

3.2.5沉积反应与QCM检测

3.3结果和讨论

3.3.1 MPA与捕获探针的比例对响应信号的影响

3.3.2杂交和沉积反应的优化

3.3.3连接反应和解链

3.3.4野生型基因的定量检测

3.4小结

第4章基于等位特异延伸法结合生物金属化反应的单碱基突变检测研究

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1试剂和仪器

4.2.2金电极的预处理

4.2.3捕获探针的固定

4.2.4 DNA杂交、表面延伸及解链反应

4.2.5生物金属化反应

4.2.6电化学检测

4.3结果和讨论

4.3.1基于等位基因特异性延伸的单碱基突变电化学检测原理

4.3.2探针设计

4.3.3试验条件的优化

4.3.3传感器对野生型和突变型序列的区分

4.3.4对野生型目标链的定量分析

4.4小结

第5章基于目标物诱导置换的腺苷无标记电化学检测研究

5.1前言

5.2实验部分

5.2.1试剂

5.2.2传感界面的制备

5.2.3样品的电化学检测

5.3结果和讨论

5.3.1修饰电极的电化学特性

5.3.2固定化界面

5.3.3试验条件的优化

5.3.4传感器的性能

5.4小结

第6章基于适配体的酶放大电化学免疫传感器研究

6.1前言

6.2实验部分

6.2.1试剂

6.2.2仪器

6.2.3抗体在金电极表面的固定

6.2.4基于适配体检测探针和酶催化放大的免疫分析

6.2.5电化学检测

6.3结果与讨论

6.3.1电化学免疫传感器的原理

6.3.2试验条件的优化

6.3.3免疫传感器的分析性能

6.4小结

第7章基于适配体和抗体夹心的无标记电化学凝血酶检测

7.1前言

7.2实验部分

7.2.1材料和试剂

7.2.2仪器

7.2.3纳米金-壳聚糖复合膜的制备

7.2.4免疫传感器的构建

7.2.5电化学检测凝血酶

7.3结果与讨论

7.3.1纳米金-壳聚糖复合膜的优化和表征

7.3.2离子强度对适配体与凝血酶结合力的影响

7.3.3电化学检测

7.4小结

结 论

参考文献

附录A攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢