核酸分子探针

1、红细胞红细胞: 6,000-9, 000nm白细胞白细胞: 10,000nm一般细菌一般细菌: 1,000 10,000 nm 一般病毒一般病毒: 75 100 nm 蛋白质：蛋白质： 5 50 nmDNA (双链宽双链宽) ： 2 nm谋求灵敏谋求灵敏、准确地在、准确地在分子层面，以致在分子层面，以致在活体内，将生物分子的成分、结构、相互作用活体内，将生物分子的成分、结构、相互作用等信息转变为易于检测的光、电等信号变化。等信息转变为易于检测的光、电等信号变化。尺度和量的概念尺度和量的概念u19511951年，英国科学家年，英国科学家威尔金斯威尔金斯和和富兰克林富兰克林利用利用X X射线衍射技

2、术拍射线衍射技术拍摄到了摄到了DNADNA晶体照片。晶体照片。u 19521952年，奥地利科学家年，奥地利科学家查哥夫查哥夫研究指出：生物研究指出：生物DNADNA中，碱基中，碱基A A和和T T的含量总相等，的含量总相等，G G和和C C的含量相等。的含量相等。u19531953年，美国科学家年，美国科学家沃森沃森和英和英国科学家国科学家克里克克里克在在NatureNature杂志上杂志上发表了发表了DNADNA的双螺旋结构（的双螺旋结构（2020世纪世纪生物科学最伟大的发现）。生物科学最伟大的发现）。 u19621962年，年，沃森沃森、克里克克里克和和威尔威尔金斯金斯获得诺贝尔生理学或

3、医学奖。获得诺贝尔生理学或医学奖。DNADNA双螺旋结构模型的提出标志现代分子生物学的诞生。双螺旋结构模型的提出标志现代分子生物学的诞生。 历史回顾历史回顾：DNA双螺旋结构是怎样发现双螺旋结构是怎样发现的？的？DNA分子的特点：分子的特点： 稳定性稳定性：脱氧核糖和磷酸交替：脱氧核糖和磷酸交替连接方式不变，碱基配对原则不连接方式不变，碱基配对原则不变，可反复变性和复性。变，可反复变性和复性。 多样性多样性：DNADNA分子碱基对的排列分子碱基对的排列顺序千变万化，一天顺序千变万化，一天n n个碱基的个碱基的DNADNA分子排列方式有分子排列方式有4 4n n种。种。 特异性特异性：基于碱基配

4、对原则，：基于碱基配对原则，DNADNA能特异性识别与其完全互补的能特异性识别与其完全互补的DNADNA或或RNARNA序列。序列。 合成和标记简单且已经自动化合成和标记简单且已经自动化和市场化和市场化。核酸分子的优越性质：核酸分子的优越性质：1. Watson-Crick碱基互补配对，金属-碱基对，G或C四聚体等；2. 作为生物催化剂（核酶），与蛋白酶发生特异性相互作用；3. 可人工合成，便于修饰和衍生化功能分子（锁核酸等）；4. 核酸适配体-基于核酸的特定空间构型特异性识别靶分子 （离子、蛋白、细胞等）；5. 与纳米结构结合，用于肿瘤等的成像和治疗研究；6. 临床应用等目标 DNA1.1

5、Watson-Crick碱基互补配对分子信标 分子分子信标是个呈发夹结构、设计十分巧妙的短链信标是个呈发夹结构、设计十分巧妙的短链DNADNA分子。由于它特殊的结构，自从分子。由于它特殊的结构，自从19961996年被首次合成出来以后，它已经被非常广泛地应用于年被首次合成出来以后，它已经被非常广泛地应用于PCRPCR定量、基因分型、基因定量、基因分型、基因芯片、活细胞内芯片、活细胞内mRNAmRNA分析以及蛋白质（酶）研究等领域。分析以及蛋白质（酶）研究等领域。分子信标的工作原理：分子信标的工作原理：K. Wang, W. Tan, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2

6、009, 48, 856 无靶标存在下，茎环结构使得荧光基团和淬灭基团相互靠近，发生无靶标存在下，茎环结构使得荧光基团和淬灭基团相互靠近，发生FRETFRET，荧，荧光淬灭。加入靶序列后，分子信标环部与之互补配对形成刚性并且更稳定的光淬灭。加入靶序列后，分子信标环部与之互补配对形成刚性并且更稳定的双链杂交体，使荧光基团和淬灭基团距离增大，阻止双链杂交体，使荧光基团和淬灭基团距离增大，阻止FRETFRET发生，荧光恢复。发生，荧光恢复。E: FRETE: FRET效率效率R: R: 荧光给体与受体之间的距离荧光给体与受体之间的距离J. Huang, K. Wang, W. Tan, et al.

7、 Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 401 3504004505005506006500510152025303540Fluorescence Intensity (a.u.)Wavelength (nm)杂交链式反应用于DNA的高灵敏检测 - Watson-Crick碱基互补配对 杂交链式反应用于DNA的比色检测 - Watson-Crick碱基互补配对P. Liu, X. Yang, K. Wang, et al. Anal. Chem. 2013, 85, 76897695L. He, X. Yang, K. Wang, et al. Chem. Commu

8、n., 2014, 50, 7803-7805Watson-Crick碱基互补配对启发的自组装构型开关用于核酸杂交调控1.2 金属-碱基对T-Hg2+-T的结构C-Ag+-C的结构Angewandte Chemie International Edition, 2004, 43(33): 4300-4302Chemical Communications, 2010, 46(9): 1476-1478Analytical Chemistry, 2009, 81(6): 2144-21491.3 G四聚体G-quadruplexaptamer as a drug delivery carrierA

9、ngew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 6098 61012.1 作为生物催化剂（核酶）作为生物催化剂（核酶）-核酶探针核酶探针如上如上图，由图，由于于DNAzymeDNAzyme与底物链发生分子内杂交与底物链发生分子内杂交, , 荧光基团与猝灭基团相互靠近荧光基团与猝灭基团相互靠近, , 导致荧光猝灭导致荧光猝灭. . 当当PbPb2+2+存在时存在时, DNAzyme, DNAzyme被激活被激活, , 底物链被切断后释放出荧光基团底物链被切断后释放出荧光基团标记的标记的DNADNA片段片段, , 从而产生明显的荧光信号从而产生明显的荧光信号. . 据此可在常温下快速

10、检测据此可在常温下快速检测PbPb2+2+, , 检测检测下限为下限为10 nmol/L.10 nmol/L. 核酶（核酶（RibozymeRibozyme）是是具有催化功能的具有催化功能的RNARNA分子分子，是生物催化剂，可降解，是生物催化剂，可降解特定特定RNARNA序列。序列。它的发现它的发现打破了酶是蛋白质的传统观念。有一些打破了酶是蛋白质的传统观念。有一些DNADNA分子同样具有催化功能分子同样具有催化功能。19811981年由年由CechCech等人在研究四膜虫前体等人在研究四膜虫前体rRNArRNA拼接机制时发现，并因此获得拼接机制时发现，并因此获得19881988年诺贝尔化学

11、奖。年诺贝尔化学奖。MolecularBeaconOligo ALigationHybridABOligo BBindingNTFSNTFS (Nucleotide Fragment Sense)平台技术实时监测核酸的连接过程该平台还被用于核酸磷酸化过程监测，NAD等的高灵敏检测2.2 与与蛋白酶发生特异性蛋白酶发生特异性相互作用相互作用-核酸核酸片段检测（片段检测（NTFS）平台技术平台技术（Nucleic Acid Res., 2003, 31, e148; Nucleic Acid Res., 2005, 33, e97；Analyst, 2005,130,350-357; Anal.

12、Biochem., 2006, 353, 141-143; Biomedical Photonics Handbook, 2003, p57-157-23, ）Time (Second)0200400600800Fluorescence Intensity1000002000003000004000005000002.30.23 0.115 6.9X10-22.3X10-21.2X10-26.9X10-32.3X10-304008001400001450001500002.3X10-31.2X10-32.3X10-4Z. Tang, K. Wang* et al. Anal. Chem., 2

13、011, 83, 2505利用E.Coli DNA连接酶具有对NAD的高度依赖性，检测NAD+Q. Guo, X. Yang, K. Wang, et al. Nucleic Acids Res. 2009, 37, e20. 基于DNA聚合酶的链置换聚合反应用于DNA的高灵敏检测硫代化核酸结构示意图2-O-甲基RNA结构示意图肽核酸结构示意图锁核酸结构示意图衍生物类型衍生物类型抗酶切能力抗酶切能力选择性选择性杂交亲和力杂交亲和力荷电性荷电性非特异性结合非特异性结合毒性毒性硫代化核酸较强中稍微降低负电高高毒性2-氧甲基RNA较强中稍微增强负电高低毒性肽核酸强高强中性低低毒性锁核酸极强高强负电底

14、无毒性核酸衍生物性能比较3. 核酸核酸衍生物的性能衍生物的性能结合条件可控结合条件可控 修饰灵活修饰灵活 亲和力高亲和力高筛选周期短，成本低筛选周期短，成本低靶分子种类广泛靶分子种类广泛特异性强特异性强分子量小，无免疫原性分子量小，无免疫原性 稳定、易保存稳定、易保存 4. 核酸适配体 Aptamar-”Chemical Antibody”Theoretically, anything we use antibodies today (for molecular recognition, molecular interaction, diagnosis, and therapeutical)

15、can be replaced with synthetic DNA probes which can be prepared reproducibly in our labs using a DNA synthesizer. 核酸核酸适配体：由适配体：由15-6015-60个碱基组成的能特异识别个碱基组成的能特异识别靶分子的单链靶分子的单链DNA/RNADNA/RNA，识别对象识别对象包括包括小分子小分子、蛋白质、蛋白质、细胞等细胞等。Designer DNA/RNA核酸适配体的定义核酸适配体的定义核酸适配体核酸适配体靶分子靶分子ATP 核酸适配体核酸适配体l 分分子识别的基础不是碱基互补配

16、对子识别的基础不是碱基互补配对l 折叠成特定的二级与三级结构折叠成特定的二级与三级结构l 空间结构与靶分子构象匹配空间结构与靶分子构象匹配J. Liu, X. Yang*, K. Wang*, et al. Anal. Chem. 2013, 85, 1112111128Aptamer辅助的量子点自组装用于ATP的荧光传感小分子小分子ATPATP aptameraptamerQ. Wang, X. Yang*, K. Wang*, et al. Anal. Chem. 2014, 86, 65726579正/反筛集成的微流控芯片用于肌红蛋白aptamer的筛选肌红蛋白肌红蛋白 aptamerJ

17、. Huang, K. Wang, W. Tan, et al. Anal. Chem. 2010, 82, 10158 将将aptamer序列嵌入到分子信标的互补链，与目标识别时发生竞争反应，可以序列嵌入到分子信标的互补链，与目标识别时发生竞争反应，可以引起构型变化，分子信标恢复发夹结构，释放信号。引起构型变化，分子信标恢复发夹结构，释放信号。溶菌酶溶菌酶aptamer细胞膜蛋白触发构型变化的激活式核酸适体探针，用于肿瘤活体荧光成像。检测原理示意图检测原理示意图 创新性提出了创新性提出了“激活式核酸适体探针激活式核酸适体探针”概念，该探针与传统概念，该探针与传统 “always on”核酸适

18、体核酸适体探针相比，有效降低了非特异性背景信号，探针相比，有效降低了非特异性背景信号，在肿瘤部位产生了更高的对比度并大大缩短在肿瘤部位产生了更高的对比度并大大缩短诊断时间，有望为实现肿瘤早期诊断提供一诊断时间，有望为实现肿瘤早期诊断提供一种更为灵敏的检测方法。种更为灵敏的检测方法。 Cell aptamer5. 与与纳米结构结合，用于肿瘤等的成像和治疗纳米结构结合，用于肿瘤等的成像和治疗研究研究分子信标用于果蝇卵母细胞内mRNA成像PNAS, 2003, 100, 13308 核酸适体用于肿瘤细胞的识别PNAS, 2006, 113, 11838 核酸分子探针的进展，核酸分子探针的进展，已经能在单个活细胞，甚已经能在单个活细胞