基于滚环扩增和核酸外切酶ⅲ辅助循环放大的高灵敏荧光生物传感器研究

基于滚环扩增和核酸外切酶ⅲ辅助循环放大的高灵敏荧光生物传感器研究

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32学校代号:105131110021学号:S密级:不保密湖南大学硕±学位论文基于滚环扩增和核酸外切酶III辅助循环放大的高更敏焚光生物传感器研究:刘陈力为学位申巧人姓名导师姓名及职称:楚霞教授:化学化工学院培养单位:分析化学专业名称论文提交日期2016年5月:2016年5月论文答辩日期:俞汝勤教授答辩委员会主席 湖南大学学位论文原创性声明立进行研究所取本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独引用的内容外,本论文不包含任何其得的研究成果。除了文中将别加标注他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个中明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果人和集体,均己在文由本人承担。作者签名;力巧曰期;年/月曰蘇备^学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查入有关阅和借阅。本人授权湖南大学可W将本学位论文的全部或部分内容编、数据库进行检索,可W采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于。1、保密□,在年解密后适用本授权书2、不保密d。""(请在W上相应方框内打V)作者签名;巧-力^日期;年/月^日导师签名:曰期:刀/&年A月曰^I StudiesofUltrasensitiveFluorescentBiosensorBasedonRollingCirclelicaonandxonucleaseIII-Recclin乂mpfitiEAidedygbyLIUChenliweiB.ansh.S(HunCkyUniver)2012yAthesissubmiUedinailialsatisfactionofthep民eq山rementsfor化edegreeofMasterofScienceniAnalyticalChemistryintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfe巧orCHUXiaMay,2016 硕±学位论文摘要滚环扩増一(RCA)作为种等温放大过程,有着极强的核酸扩増能力,不仅一可直接对特定的DNA分子进行扩增,还能将飽核酸的信号进行放大,得到条由环形DNA模板互补序列串联组成的长单链DNA,。通过设计环形DNA模板的序列可赋予RCA产物药物负载、範标识别、巧光成像等功能。核酸外切酶III因其高效’的催化水解能力W及对3端平齐或凹陷的双链DNA特异的识别能力被广泛应用到信号放大战略中。本研究论文将滚环扩增技术和核酸外切酶III辅助循环放大技术一与生物传感方法相结合,构建了种多重信号放大的巧光生物传感平台,实现对核酸酶、microRNA、小分子物质和离子的检测。(1)第二章,基于滚环扩增(民CA)和核酸外切酶III(ExoIII)辅助循环放大一个稳健的传感平台用于S1核酸酶的高灵敏检测。将S1核酸酶的底,构建了物DNA链(sDNA)设计成引发RCA的引物DNA链,得到的RCA产物与大量’TaqMan探针互补杂交形成TaqMan探针3端凹陷的双链结构,在ExoIII的存在’,。下,TaqMan探针从3端开始被水解其上的炎光基团被释放产生巧光信号与此’M同时,3端凸出的RCA产物则免遭酶切继续与其它Taqan探针杂交,循环往复,产生显著增强的英光信号。当体系中存在S1核酸酶时,sDNA被水解成单个或小片段的脱氧核糖核巧酸,此时缺乏引物DNA链,致使民CA反应和后续的Exom辅助循环放大反应无法进巧,从而检测不到英光信号,且英光强度随SI核酸酶浓度的增加而降低。由于进巧了双重信号放大,该方法展示了极其优异的灵敏性,7i对31核酸酶的检测下限达到了5.0X1(TUil/。该传感器用于实际样品分析中f也有令人满意的结果。一(2)第H章,建立了种利用滚环扩増(RCA)连接两次核酸外切酶III(Exo--III)辅助循环放大(ExomRCAExoIII)的巧光传感平台用于超灵敏地检测micro’A一RNA。设计的3端凸出的发夹DN集识别禪标和信号转导多种功能于体,发夹DNA和目标microRNA互补杂交后形成双链部分的序列将被ExoIII水解移除,从而释放出可继续打开其它发夹DNA的目标microRNA和引发RCA反应的引物DNA链。该引物链可与RCA中的环形DNA模板杂交并延伸得到RCA产物,RCA产物上包含成千上万个可与TaqMan探针互补杂交的序列,杂交后形成TaqMan探’’M针的3端凹陷、RCA产物3端凸出的单双链串联结构,在ExoIII的存在下,Taqan探针被水解,,巧光基团脱离浑灭基团产生巧光信号。该方法的动态响应范围达到屯个数量级,且检测限达到了02aM。.3(3)第四章,基于滚环扩増(民CA)和核酸外切酶III(Exo山)辅助循环的II 基于滚环扩増和核酸外切酶阻辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研巧双重放大巧光传感平台一,利用些物质(ATP、钟离子)对S1核酸酶活性的抑制+作用实现了对ATP和K的检测。S1核酸酶是单链特异性核酸内切酶,因体系中-DNA存在S1核酸酶,单链的RCA引物链(t)被水解成单个或小片段的核巧酸,因此无法引发RCA反应,,后续的ExoIII酶切反应也无法进行致使巧光信号难+-DNA因SW被检测。当反应体系中存在ATP或K时,t1核酸酶的水解活性被抑制而免遭水解,RCA反应和ExoIII辅助的萊光信号放大反应顺利进斤,英光大大+5-200nM和0-增强。ATP和K的线性响应范围分别为.55mM,检测下限分别为0nM和2nM。此外还可用于核酸酶抑制剂的筛选。.5,该方法关键词:巧光生物传感器;巧环扩増;巧巧外切巧III;S1孩巧巧;MicroRNA;H巧巧巧巧1H 硕dt学位论文Abstract民oilingcircleamplification(民CA)isanisothermalDNAamplificatio打processwithexcelle打tcapabilityofnucleicacidampli打cation.ItcanconvertashortDNAr-pimerintoalonsi打lestrandedDNACO打tai打inalargeamountoftandemreeatsgggpthatwerethehbridizationseue打ceofcircleDNAtemlate.The民CAroductscanyqppbeassineddferentfunctionslikedruloadintaretreconitio打a打dfluorescencegifgg,ggimagingbydesignedtheseque打ceofcircleDNA化mplate.Therefore,民CAhavebee打thesubectofintenseresearchi打theastdecadeswithitsroertiesinchemistry,jpppbioloa打dclinicalmedici打e.ExonudeaseIIIExoIIIalsohasbeenwidelaliedgy()ypp化thesignalamplificatio打strategiesbecauseofitsspecificrecognitiont;othe>doub-lestrandedDNAwithabreastorrecessed3end.Inthisaperwetakep,advantagesof民CAandExoIIItoconstructamultipleamplificatio打fluorescentbiose打sorsforthedetectionofnucleasemicroRNAandsmallmolecules.,1I打chapter2arobust幻uorescentsensinlatformforultrase打sitiveassaof(),gpynucleasehasbeenestablishedbasedonrollincircleamlificationandexonucleasegpin-aIidedrecyclingamplification.ThesubstrateDNA(sDNA)ofSnucleasewasdesignedastheprimertogenerate民CAproductsthatcanhybridizewiththe^re-uenchedMan-ApqTaqprobesandformrecessed3terminusdoublestrandedDNs.Intheprese打ceofexonucleaseIII(ExoIII),theTaqManprobeswerediges1:edfromthe,3-hdroxerenee打hancedyhininireleasi打the打uorohoreandratin打uorescencey,gpgg>sinals.MeanwhiletheRCAroductswith3rotrudinendswereliberat:edandg,ppghb'iidizedwithotherTaManrobestrierinanothercclesandobtaininyqp,gggygremarkablelyincreasin打uorescence.HoweverintheresenceofSInucleasesDNAg,p,--whwasceavednomo打oorshorolio打uceodesiecesild打ocausehelittgltipchcoutt,民CA-reactio打andsubsequentExoinaidedrecyclingamlificationreaction,resultinpgnexremeuo*weakfiescenceefluorescencei打化nstraduarecedwihitlyl.ThiygllydutincreasingconcentrationofSInuclease.Duetothedoublesinalamlificationthegp,developedmethodwasdemonstrated化exhibitexceedinglyexcellentsensitivitywitha-7deX*tectionlimitof5l〇uMoieoverthensinsskmwasusedforthereal,segysamleanalswithsatisfiedresultspyis.(2)Inchapter3,afluorescentsensorbasedonrollingcircleamplification--RCA-bridedtwostaeexo打ucleaseIIIExoIIIaidedrecclinamlificatio打Exo()gg()ygp(IV 基于滚环扩増和核酸外切酶阻辅助循环放大的高灵敏焚光生物传感器研究in-民CA-ExoIIIedforhwasdeveloihlsensitivedeletionofmicroRNA.The)pgyanalysisofDNAisaccomlishedbyrecognizingthetargettoahaiii打DNA化atpp化-inratestaretbindinandsinaltransducerwithi打onemultifunctionaldesinggggg,-followedbythetaretbi打di打ofhairi打i打dulexDNAremovedstewisebggpppyExoIIIaccompa打iedbthereleasinoftaretDNAforthesuccessivehbridizationyggya凸dcleavageprocessandauto打omousge打erationoftheprimerthati打itia1:e民CAreactio打withacircleDNAtemplate.The民CAproductscontaini打gthousandsofrepeatedseque打cesthathybridizewithTaqManprobeandthe打de化ctedbyExo-Afinassistedrecyclingamplification,terhybridization,theTaqManprobesare’diestedfromtherecessed3hdroxylterminibyExoIIIreleasi打thefluorophoresgy,g>andeneratinenhancedfluorescencesinals.MeanwhiletheRCAroductswith3ggg,pprotrudinendsare1化eratedandhybridizewithanotherTaManrobestrieringqp,ggganothercyclesandobtaininsig打i行cantli打creasi打fluorescence.Theroosedgygppstrategyshowedawidedynamicraneover7ordersofmaniUidewithalowlimitofggdetectionof0.32aM.(3)I打chap化r4,o打thebasisofadua^amplificatio打fluoresce打tsensingplatformcomosedbrocccaa打dexonucea-aeccnylli打irleamlifitio打UGAlseIlliddrelipgp()yg+amplification,d別ectionsofATPa打dKwereaccomplishedbytakingadvan化geofthe--iri打h化itmeffectofSInuclease.SInucleaseisasinlestrandedsecificggp-A-endonucleasetheinlestra打ded艮CrimertDNAdrolzedinlwouldbeh:o,sgp()yymo打o打ucleotidesduetotheresenceofSI打ucleasewhichcould打otcausethe民G_Ap,reacti-ttiona打dsubseue打ExonaidedreccUngamplificationreactio打resuli打inqy,g+-extremelweakfluoresce打ce.Intherese打ceofATPorKthecanrotecttDNAyp,ypfromthehydrolysisofSI打uclease,whichsucceedsi打producing民CAproductsandExoin-sst-aistedampli打caionoffluorescencesi打als.Theturno打sensorwasgestablishedinwhichtheresenceofSInucleasecanheltoreducethebackround,ppg+signal,therebygettinganincreasedsensitivity.ATPa打dKca打bedetectedi打arangeof--5200nMand0.55mMwi化adetectionlimitof0.5nMand2nMrespectively.Inadditionthisaroachcanalsobealiedforinh化itorscreeninofendonuclease.,ppppgKewords:FluorescentbiosensorsRollincircleamH巧cationExonucleaseIIIy;gp;;^M--SInucleaseicroRNAAdenosine5trihoshate.;;ppV 硕±学位论文目录学位论文原创性声明与学位论文版权使用授权书I摘要IIAbstractIV第11章绪论11.巧光生物传感器11丄1英光产生的原理21丄2巧光生物传感器的分类21.1.3焚光生物传感器的应用51.2滚环扩増技术61.2.1滚环扩増的原理61.2.2滚环扩増的分类71.2.3滚环扩增的发展与应用8110.3基于核酸切割酶的信号放大技术在生物传感中的应用1.3.1基于核酸内切酶的信号放大技术101.32基于核酸外切酶的信号放大技术11.113.4本论文构思第2章基于滚环扩増和核酸外切巧III辅助循环的双重放大巧光传感器用于S1核酸IS的高灵敏检测152.1mt152.2实验部分162.2.1试剂和仪器16.212.2环形探针的制备62.2.3S1核酸巧的检测172.2.4滚环扩増反应172.2.5核酸外切酶III辅助的循环放大1723结果与讨论17.12.3.实验原理172.3.2传感器的验证1821.3.3实验条件优化9VI 基于滚环扩增和核酸外切酶皿辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研巧;2.3.4S1核酸酶的检测分析232.3.5选择性考察252.3.6实际样品分析252.4小结:26第3章基于滚环扩増桥连的两次核酸外切酶III辅助循环的多重放大黄光传感器用于microRNA的超灵敏检测273.1前胃273.2实验部分283.2.1试剂和仪器283.2.2环形探针的制备巧3.2.3核酸外切酶III辅助的目标microRNA循环放大巧3.2.4滚环扩增反应巧3.2.5核酸外切酶III辅助的巧光信号放大303.3结果与讨论303.3.1实验原理30332..传感器的验证313.3.3实验条件的优化323i.3.4microRNA的检汲j分析34.33.5选择性考察343.4小结35第4章基于滚环扩増和核酸外切酶III辅助循环的双重放大巧光传感器用于ATP+和K的检测3641.前a364.2实验部分n4.2.1试剂和仪器374.2.2环形探针的制各38+4.2.3ATP和K的检测384.2.4滚环扩増反应384.2.5核酸外切酶III辅助的循环放大384.3结果与讨论384.3.1检巧a原理384.3.2传感器的验证394.3.3实验条件的优化40+434ATP和K41..的检测分析VII 硕±学位论文4.3.5选择性考察424.4小结43S论44参考文献45附录A攻读学位期间发表的学术论义59m60vm 硕壬学位论文第1章绪论一W经过生物传感这概念最先是由Clark和Lyons于20世纪60年代提出,50多年的发展一,生物传感技术己经成为口多学科交叉综合的技术,与生命科学和信息技术息息相关,。随着人们对生命现象的探讨日益加深如何灵敏又准确地获取核一直是生命科学领域的关注点酸、蛋白质、酶活性W及生命小分子的信息。生物一传感器是类特殊的分析工具,它可将生命活动中难W检测的化学反应信号转化’3Pl主要由分子识别元件为光、热、电等可测量信号,、理化转化元件和信号处理装置H部分组成,。识别单元是由各种敏感的生物活性材料构成如亚细胞器、酶、抗体一、核酸等;理化转化单元般是压电石英晶体、电化学电极、光敏管和场效,应管等可将信号进行转化的检测元件;首先待测物质与识别元件特异性结合发生化学或物理反应,然后理化转换元件将反应中产生的代表生物学信息的信号转化为可检测的光电信号,,最后信号放大器再对转换后的信号进放大和处理从而4’53t,达到分析、检测目标物的目的。生物传感器因其灵敏、特异、便捷等优点在-wuesiWittAlt生物医学、食品工业、环境监测国防等领域被广泛应用。1.1费光生物传感器一光学生物传感器是生物传感器中的种,它W被测物质与识别单元反应后引发的光信号为探测基础,再通过光信号转换和放大装置处理,输出可读的仪表数据进而换算出被测物质的信息,W此实现目标物质的定性、定量分析。构造如图""11,,.所示生物识别层是对目标物有高选择性识别能力的感应器它的作用是提取与各种被测定生物量有关的光信息,。信号转换装置将该信息进行转换再经过信号放乂装置进行放大和处理光学信号有很《种,如巧光、憐光、化学发■U光,因、折射、散射、干涉、巧曲、波导等此J根据光学信号的不同将光学生物传感器分为:巧光型、碟化型、化学发光型、紫外可见光谱型、拉曼散射型、表面等离子体共振型等。其中巧光信号为检测信号的巧光生物传感器最为常见。BioloicalgTransducerAmplificationAnaltereconygitionlayer^??\i—-ihts-LPhotoncojntMEecgll▲ltricaSignaIJr图1.1光学生物传感器的结构--1 基于滚环扩增和核酸外切酶m辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研究1.1.1黄光产生的原理每个分子都有其严格的电子能级一,而每个电子能级又包含了振动能级和转一动能级.2所示,基态用So来表示,而S和S2分别代表第,如图1i电子激发单和T一重态和第二电子激发单重态,T2则代表第电子激发H重态和第二电子激发iH重态=,用v0l23...表示基态和激发态中的振动能级。单重态和H重态的区别,,,在于电子的自旋方向不同,由保利不相容定理可知,基态时,这些电子成对地存在于各个原子轨道中一,相反方向进行自旋。当基态分子的个电子吸收能量后,其被激发跃迁到高能级上,若自旋方向不发生改变,此时分子处于单重激发态;若电子在跃迁过程中伴随着自旋方向的改变,即两个电子均处于平行自旋,则为H重激发态。根据洪德规则,在分立轨道上的非成对电子,其平行自旋比成对自旋更加稳定,因此,兰重态比相应的单重态能级稍低。又由于H重态分子具有顺-4-8?s磁性,,其寿命约为1〇I明显长于具有抗磁性的单重态分子(l〇s)。当基态分子吸收能量(光能、电能、热能、化学能)后跃迁到激发态,处于激发态的分子很不稳定,通常会W福射跃迁或非福射跃迁的方式返回基态,巧光就是其中的一种返回方式。当分子处于最低激发态的最低振动能级时,通过发射光子的福射tW跃迁方式回到基态时,便产生焚光。S32mmm-—^^約转".I..t2I|方巧tX…苗y场藏龍--—--:4I等.—WPN^---1rtw图1.2分子吸收和发射过程中的能级图1.1.2黄光生物传感詣的分类焚光生物传感器是目前研究最为广泛一、发展也极为迅速的传感器之。当前报道的焚光生物传感器中,常用的方法有癸光光谱法(Fluorescencesectrometryp,FS)、焚光各向异性/偏振法(Fluorescenceolarization?民)、焚光能量共振转移p,-2- 硕±学位论文法(Fluorescenceresonanceenergytransfer,F民ET)和巧光相关光谱法(F山orescencecorrelationsectroscoFCS)。ppy,1丄2.1基于巧光光谱的巧光生物传感器紫外或可见光照射某些物质后,,不同英光物质发射的波长位置不同反映着该物质的特性。巧光信号强度与该物质浓度成正相关关系,且某些茨光物质的发射波长位置和英光信号强度与其所处的微环境也息息相关。焚光光谱法就是利用上述原理进行定性或定量分析的方法。Temla化robepp*,35III0V?(5HI女〇Polymerase37CdNTPs>,,oTo([TTmTTm^J?:SbrGreenI?y?參參參争争争参争。。。(,公111川1川111讯!1川1川111!1『,至IW图1.3聚合巧辅助的巧光放大法用于束离子检测的原理图YBR一SGreenI是DNA巧光嵌入染料最为常见的种,它能够结合在双链DNA的双螺旋小沟区域。当SYBRGreenI处于游窝状态时,发出的黃光信号极为微弱I一旦结合到双链DNA中,巧巧化信号则大大增强,且信号的强度与双链DNA的数tW量相关。这种特性巧被用来检测参与形成稳定DNA双链的目标物。Zhu等报道一,,了种在聚合酶辅助下的巧光放大方法来灵敏地检测采离子原理如图.31所示作者设计的模板探针由两部分组成:富T碱基的束离子识别序列(红色部分)和聚合酶巧伸的模板序列(黑色部分):当体系中存在巧离子时,识别序列中的T碱基2+T-H-T配和巧离子进行g对,形成折叠的双链结构,从而诱发聚合酶从折叠双链的’3端开始延伸,最终形成U形的长双链结构eenI,。再加入SYBRGr后可产生很强一--的巧光信号,实现对巧离子的分析。此外,些与Guadruex)还有凹联体(Gqpl-3- 基于滚环扩增和核酸外切酶m辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研究PWP11N-CV)特异性结合的染料,如甲基叶琳二丙酸IX(NMM)和结晶紫(等,用来构建能促使G-四联体形成的物质及其抑制剂的炎光传感器。1丄2.2基于巧光各向异性/偏振的黄光生物传感器一所谓偏振光,是指在任何平面都均匀振动的光波通过某物质时,受到该物质的作用被分成不均匀的光束,使平面振动发生变化,从而出现不同平面方向的振动有强弱之分,此时的光即为偏振光。巧光偏振现象是由Perrin于1926年首次提出,它是指当溶液中的巧光物质受到平面偏振光激发时,如果巧光分子在受激发时保持静止,发射光则仍与激发光在相同的偏振平面。如果在受激发期间癸光分子处于运动或旋转的状态,发射光则与激发光不在相同的偏振面。偏振英光的强度与巧光分子的运动速度成反比,巧光分子体积越小,运动速度越快,受偏振光激发后产生的巧光强度则越小,。同时溶液的温度、分子间的相互作用等均会影响偏振英光的强度,因此该技术可被用来研究生命科学中分子间的相互作用、实时监测分子间的变化等。利用巧光偏振现象发展出的巧光传感器被用于小分子^PWNAN蛋白激酶气肿瘤细胞标记物的检测,D结构变化研巧及SPsPW筛选。12丄.3基于黄光共振能量转移的巧光生物传感器一巧光共振能量转移(fluorescenceresonanceenergytransferFRET)个,是指当焚光分子一(又称供体分子)的巧光发射光谱与另个英光分子(又称受体分子)的激发光谱相重叠时,供体巧光分子的激发光谱能诱发受体分子发出费光,同时供体焚光分子自身巧光强度减弱的现象:。要发生FRET还需满足H个条件①供体一分子的发射光谱和受体分子的吸收光谱必须有显著的重叠,般大于30%供;②-nm之间体分子和受体分子间的距离必须在1lO,才能发生较好的FRET。供体和FRETE=受体间的效率(E)可W通过下公式计算l/(1+(艮/民ex6:〇)p),其=中民0为福氏半径,即E50%时供体和受体间的距离,对于特定的供受体对,该值为常数。R为供体分子和受体分子间的距离;③供体分子的发射态偶极矩与受体分子的吸收态偶极矩一、W及它们的向量必须满足定的条件。目前文献报道的巧gPSp一Ii些特殊的纳米光分子供受体对主要包括有机染料焚光蛋白,量子点和PW""等,F艮ET材料。此外作为光谱尺成为检测生物活体和体外纳米级距离变一一-化的少数几个工具之,般认为10,F艮ET可W用来测量100A范围内大分子之PU间的距离。因此FRET在核酸检测,活细胞体内物质成像检测中、免疫分析中也被广泛应用,Duanenede。例如等人基于氧化石墨稀(Gr叩hOxiGO)设计,-了种叶酸受体(folatereceptor,F民)表达阳性细胞的成像探针(图1.4),该探针通过二硫键分别在GO上交联上了叶酸(仿lieacid,FA)和罗丹明B(RhodamineBRB),由于RB的与GO之间发生的FRET,使得刚开始探针巧光很微弱,当,-4- 硕±学位论文探针进入细胞后,二硫键被体内的谷晚甘肤切断,英光供体和受体两者分离,使巧光恢复,。因叶酸与癌细胞表面的叶酸受体特异的结合能力该探针具有定向打祀细胞的能力,使探针更容易被内吞进细胞。这种黄光増强型探针大大提高了信噪比,能很好的区分叶酸受体阴性和阳性细胞W及达到检测体内谷腕甘狀的目的。卢打4八乂bIrWluUrGSHntac)^FolkacRhodi參id奈amne6sothiocyanjU一Folaterece口orGrah?畑oxidep-N*rote3-。iv).p1睾32tl1-图.4GORB的巧光能量共振体系用于活细胞中谷脯甘狀检测的原理图1.1.24基.于黄光相关光谱的巧光生物传感器orescencecorre-FCS茨光相关光谱(Flulationspectroscopy)的原理是利用巧,"<光强度随时间的涨落进行分析检测。它可W测定微区内(1(Tl)巧光基团因布朗运动或化学反应而导致的巧光强度涨落,具有极高的灵敏度。它能够提供巧光一tw标记分子的大小、浓度和相互影响的信息,是种重要的单分子检测技术。随着理论和仪器的日益发展,茨光相关光谱在生命科学W及化学等领域的应用越来5fWP1PW越广泛,在活体细胞分析、单分子检测、反应动力学研究、疾病早期诊断tnl和药物筛选等方面发挥着重要作用。1丄3巧光生物传感器的应用茨光传感器具有操作简便、响应迅速、选择性好、灵敏度高的优点,其检出tw,在食品分析限可达到单分子水平、环境检测、临床诊断、药物研究等方面被泛使用。在食品安全领域,巧光生物传感器不仅可W用于食品中基本成分和添加剂的分析,还可用于检测食物中有害的微生物和农药残留。如Wang等发展了一NC-)种检测黄曲霉素的巧光生物传感器,该方法氛接杂的碳点(dots作为,-巧光报导基团。起初由于静电作用,Ns,Cdot被姐装在修饰了黄曲霉素核酸适配-amer,体的金纳米颗粒(Apt/AuNPs)上,此时N,Cdots的巧光被金纳米颗粒泮灭当体系中存在黄曲霉素时,核酸适配体发生构象隻化并与黄曲霉素结合,使-dotsNC脱离金纳米颗粒,,从而检测到巧光信号该方法可简单、快速、特异、,灵敏地检测黄曲霉素,、大气。在环境检测领域巧光生物传感器主要可进行水质和±壤的监测-。可W对大气中氧化氮等污染物、水质中的有机质和止壤中的金--5 基于滚环扩增和核酸外切酶IH辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研巧^一l属离子等进行检测。如L,可对化化和NO进行in等合成了种有机巧光染料一fW响应,并发出可区别的巧光信号;唐等建立I种巧光分析法用来测定水样中的痕量讲,。在临床医学和药物研究领域不论是研究细胞早期调亡还是检测f43lWf癌细胞标志物,或者是检测流感病毒RNA的巧光生物传感器都相继被研究,并有望继续发展。1.2滾环扩增技术一滚环扩増(RollingcircleamlificationRCA)是种简单而又有效的等温核酸p,,这项技术建立于88,扩增过程19年是模拟自然界中质粒和幢菌体等环型DNA分子的复制方式提出。该技术W环形的单链DNA为模板,在聚合酶的存在下,将退火到环形模板上的引物链不断延伸,从而产生含有成百上千个串联重复序列的单链DNA。它有着极强的扩增能力,整个过程可在液相、固相或复杂的生物环境中tW,,恒温进行无需热循环仪器具有特异、灵敏、快速、操作简便的特点。1.2.1滾环扩增的原理一滚环扩增反应的原理是W封闭的单链DNA环为模板,W与模板环中段非功DNA’能序列互补的单链为引物,在聚合酶作用下,从引物DNA链的3端开始沿着模板环扩增,最后形成整数倍模板环长度的单链DNA。典型的民CA反应由四个部分组成:(1)DNA聚合酶W及合适的反应缓冲溶液;常见的DNA聚合酶有Phi29DNA-聚合酶,BstDNA聚合酶和VentexoDNA聚合酶。而Phi29DNA聚合酶因其超强的持续合成能力和链置换能力被广泛使用,它的链合成能力大于70kb,即使模板tW环的次级结构比较复杂,其扩展性和链取代能力也不受影响。(2)憐酸脱氧核糖核昔酸(deoxynucleotidetriphoshatesdNTPs)作为合p,;成DNA链的原料分子,是构建RCA产物的基础。—(3DNA5-)单链般待环化的单链DNA的长度约为200个碱基,可通1环形;’’过酶促的或者化学的方式将其5憐酸端和3经基端进行分子内连接,从而形成环。根据两端连接的过程中是否需要辅助其它单链DNA(连接探针),可将成环的方""""47""式分为模板介导成环和非模板介导成环两种1^模板介导成环原理’,5如图1.5所示是指将待环化的寡聚核昔酸链(也称为挂锁探针的端憐酸化,’’53一一且其端和端均有段与辅助链互补的序列,在定条件下,挂锁探针和连接探,形成周部互补双链结构针进行杂交,从而拉近挂锁探针的两端,在DNA连接酶""的作用下,挂锁探针被连接成环,得到单链环状的DNA。非模板介导成环是NA可W直^指,环形D接通过种特殊的连接酶(CircLigase)将待环化的单链DNA首尾两端进行连接而得到。一(4)引物DNA链引物DNA链是指引发艮CA反应的条单链DNA,它能与环;-6- I硕±学位论文形DNA互补,从而被延伸得到RCA产物。它可W是待检测的目标DNA链,也可W将其作为前面提到的连接探针,并由此设计环形DNA两端的序列,从而大大降低非目标DNA链的干扰。叫a四mplate如"PuHfcn^^i^to^^CirculartemplateX__JVy",,47[]图1.5模板介导成环的原理图1.2.2滚环扩増的分类""""RCA的分类,按照引物数量分可W分为单引物RCA和多引物RCA;""""IW按照扩增效率分可分为线性RCA和指数RCA。1221...线性RCA一线性RCA即为单引物RCA,在扩增反应中,将条引物DNA链退火到环形DNA上与之杂交结合,在DNA聚合酶作用下W环形DNA为模板合成其互补DNA链,当合成至引物结合位点时,有链置换活性的DNA聚合酶把己合成的引物延伸链从环形DNA模板上置换下来,并W环形DNA为模板继续合成,最终得到与环形DNA完全互补序列串联而成的单链线性DNA(图1.6A)。RCA12.2.2.《引物一多引物RCA是相对于单引物RCA提出的个概念,,顾名思义它是指引发一RCA反应的引物DNA链不止一条,即由个多复制起点的环状DNA模板和多条引物DNA链进行的RCA反应,从而得到多重的民CA产物1.6B)。(图最多可容纳的引物链数量取决于环状DNA模板和引物DNA链的长度。1RCA.2.2.3t旨数指数RCA也被称为级联滚环扩増(cascaderollingcircleamplification,CRCA)、超分支滚环扩增(herbranchedrollincircleamlificationRCA)ypgp,或分支扩増一(ramificationamiRAMRCAlificaton)。,p,它的原理类似于线性但却不止种引NA一,第种引物DNA链,物D链。首先(Primer1)与环形DNA互补杂交进行滚--,这个过程与线性RCA致,第轮线性RCA的扩增产物可与环置换合成。然后二种引DNA链一第物(Primer2)互补杂交,Primer2再第轮线性RCA的扩増产一物为模板进行酶促延伸,得到新的DNA链,。随着第轮线性RCA的进行更《的P一rmer,er,.i2结合到第轮线性RCA的扩増产物上得到更多的Prim2巧伸链此时Primer1又可W结合到Primer2延伸链上进行酶促巧伸,如此循环化复,短时间内一一w’sit]1产物呈指数扩増,最终得到系列长度不的双链产物(阐.6C)。Nikon等研究发现,线性RCA产物与互补的含限制性内切酶位点的DNA片段杂交后,可W-7- 基于滚环扩增和核腹外切船川辅助祀环放大的商灵敏巧光生物传感器研妃被限制性内切酶切割成多个片段,然后在模板介导下被连接酶连接成多个环形DNA,这些新的环形DNA作为其它引物DNA的模板进行RCA反应,得到的民CA产物也呈指数型増长(图1.6D)。odNTPidNTPt-dcj—P:H^fl??rrt1I^2丄tor^ttWlBitfci口'T」文nmtri^atmyim^——"b"*—_i-''古。W;?^hi—户0000'*l-iy.八q^op^47[11图.6滚环扩增的分类1.2.3滚环扩増的发展与应用相对于目前应用较为广泛的PC民核酸扩增技术而言,RCA无需复杂的温控循环仪,不仅可W直接将特定DNA分子进行扩增,还能将範核酸的信号进行放大,且反应在恒温下进行,反应条件温和,可用于快速的现场诊断。产物始终连接在靴物质或者固相支持物上,不仅可^式在试管内扩増,还可微阵列和细胞原位上扩增。民CA扩增技术在核酸测序、DNA忘片、单核昔酸多态性检测、细胞原位检测W及蛋白质、病原体和小分子检测中有着诱人的应用前景。1.2.3.1在全基因组DNA检测中的应巧RCA技术的发展,使扩增的对象不再仅限于质粒、唆菌体、病毒等这类环形,还可y的核酸分子?用于线性核酸的扩增,如利用核酸酶抗性引物和phi29DNA聚合酶进行的全基因组扩増技术。现己报道的利用民CA技术进行全基因组扩增的一方法主要有两种:种是多重替换扩增hi29DNA聚合酶从十个^;它是利用p>下的人类细胞里精确扩増出全基因组°DNA,产物平均长度超过lOkb,在30C下扩増4?6h即可达到反应平台。该方法也可在全血中扩增出体内的基因组且无需进行ini一DNA纯化.。另种是限制性环化滚环扩增首先利用限制性内切酶将基因组twiDNA消化成短的片段,然后再环化成单链环形DNA,最后进行滚环扩增。-8- 硕±学位论文1.2.3.2在DNA芯片中的应用将RCA结合到芯片技术中,可W很好地克服传统核酸扩増技术不能在巧片上扩増的问题。在不同位点标记不同寡核昔酸探针的微阵列上,先让检测模板与其杂交,然后加入DNA连接酶,只有与模板链互补的探针方能被连接成环,接着对成环的DNA链进行滚环扩增,通过检测扩增产物的信息即可得到模板的信息。送种放大技术使检测低丰度突变成为可能,在肿瘤早期中的核酸检测和监控中十分、具有潜力。两种技术的结合可多重检测多个热点突变位点,具有高特异性高分辨率和高通量的特点。1..2.33在单核巧酸多态性检测中的应用单核昔酸多态性(singlenucleotidepolymorphisms,SNP)也称为单碱基改变,它是指基因组中单个碱基的变异而引起DNA序列的多态性,是人类可遗传变异中一一最常见的 ̄种,其数目十分庞大,大约每100300个碱基中就有个碱基发生突变。一一基于RCA来检测般是先设计’端设计为单核SNP的方法,种挂锁探针,探针的3巧酸多态性位点’,且两端与目标核巧酸互补。在DNA连接酶存在下,3端与SNP位点互补的挂锁探针被连接成环,进而成为RCA反应中的环形模板进行扩増。这,样,利用挂锁探针与目标DNA连接与否来区分SNP的位点利用民CA来增加检测灵敏度。1.2.3.4在细胞原位检测中的应巧细胞在不同分裂周期中染色体的变化情况可用原位检测进行分析,传统的方法是通过检测与祀核酸序列互补杂交的巧光探针的巧光信号来实现,这种方法灵敏度较低。而原位民CA技术通过挂锁探针和帮核酸序列互补杂交后再连接成环,紧接着发生后续的RCA,在细胞内的靴核酸上延伸出大片段扩増产物,既能提高检测的灵敏度,又可克服原位PCR中产物扩散出细胞的缺点,且反应条件温和,tW细胞的结构可免遭破坏。Christian等利用RCA技术对固定化细胞在原位进行单城基突变和基因拷贝数目检测,其效率超过90%。1.2.3.5在免疫检测中的应用免疫微阵列是利用抗原和抗体间特异结合而发展起来的一种广泛应用于疾病诊断W及药物和药範筛选的技术,具有操作简单、恃异性好等优点,将RCA技术与免疫学方法相结合,避免了传统信号扩増方法的限制,从而实现高通量、髙灵。RCA敏地检测目标物质免疫检测步骤如下:①将捕捉目标物的特殊抗体固定在芯片上;②加入能与目标物结合的、标记了生物素的二抗;③结合了寡核巧酸单链引物的通用抗体与二抗结合;④通用抗体上的寡核昔酸引物引发RCA反应。Aktersty等利用双抗体夹也来捕获人干扰素y-RCA反应(IFNy),进而引发,检测限达-9- 基于滚环扩增和核酸外切酶m辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研巧fW到62.5pg/mL,灵敏度远远高于常规方法。Tang等用核酸适配体(aptamer)代替’CA引抗体来捕获靴物质,直接在ap化mer序列3端加上民物核酸序列,W启动民CA,避免了抗体蛋白和寡核酸链的交联反应,使操作更为简便。1.2.3.6在纳米生物技术和材料科学中的应用一-克里克碱基配对使DNA成为构建系列纳米或微米级框架的基石沃森。通,可使RCA产物成为分子内互补配对过设计环形DNA模板序列、自我组装的、被赋予多种功能的纳米或微米级DNA材料,这些材料仍具有核酸的性质,在细胞成像和药物範向输送中拥有强大的应用前景。如Tan等利用RCA技术得到类似于花的形状的DNA纳米结构,通过设计扩增过程中环形DNA模板的碱基序列,"使得到的RCA产物可W进行分子内互补配对,进而自组装成大小可控的DNA"纳米花,DNA模板上还。不仅如此环形设计了与可附着药物的碱基序列和可识""别癌细胞的aptamer序列互补的碱基序列,从而将纳米花变成可将抗癌药物定向输送至癌细胞的核酸纳米材料,。此外该小组还将标记了巧光基团的脱氧核糖""核巧酸作为RCA反应的原料,合成了彩色的纳米花并应用于细胞成像中,提高了成像的分辨率1.3基于核酸切割酶的信号放大技术在生物传感中的应用^灵敏度是衡量生物传感器好坏的个重要的指标,为了提高检测的灵敏度,各种放大策略在生物传感中屡见不鲜,其中包括对目标物的放大和对信号分子的放大,在这些放大方法中,核酸切割酶因其特异的底物识别能力和高效的酶催化能力被广泛使用。下将对几种常用的核酸切割酶辅助的信号放大进行技术简单的介绍。1.3.1基于核酸内切酶的信号放大技术一endonucea一核酸内切酶(lse)是种可W水解DNA链中憐酸二醋键的种酶,一根据其是否有特异识别的序列,将其分为两类:类是非限制性内切酶;这类内切酶对切割序列没有特定要求,可W水解单链或双链DNA,产生单个或小片段的脱氧核糖核昔酸一。另类是限制性内切酶;这类内切酶可识别特定的DNA序列,一并且从识别位点或位点附近切割双链DNA,产生个切口。许多性能优越的生物59'62w一11ti一传感器利用限制性内切酶这特性被设计。例如,Xu等利用种nckinig限制性内切酶(NEase)构建了目标物放大的金纳米颗粒比色传感器用于DNA的’,检测。原理如图1.7所示,linker链ab上有NEase的特异识别位点,当体系中’’不存在靴DNA链时,linker链可免遭酶切、保持完整,其上的a端和b端可分别与金纳米颗粒上的a,b链互补杂交,从而拉近金纳米颗粒的距离,溶液呈蓝紫色;但当目标链target存在时,它与linker互补杂交,linker链上的特异识别位点被酶--10 硕±学位论文’’,并被切成a和b两段,金纳米颗粒的距离不能被拉近,溶液颜色呈红色识别。6一t同时taret,并继续与其它er,循环放大。Li等种限g被释link链结合叫昔助另制性内切酶BsaBI采用类似的原理检测了DNA。niickngen日onuctease\mismatched'complementery\r.taget图1.7基于限制性內切酶信号放大的金纳米颗粒比色传感器用于DNA检测的原理图另外,非限制性核酸内切酶也可被用于构建信号循环放大的生物传感器。Tang?一等[]将标有电化学活性物质的核酸适配体与磁性石墨帰结合构建了种对多个目标物同时检测的电化学生物传感器,单链的核酸适配体被吸。当不存在目标物时附到石墨帰上,使其免遭核酸酶DNaseI的水解,此时可レッ检测到较强的电化学,,信号,从而脱离石墨蹄复。当目标物存在时核酸适配体与目标物形成复合体合物中的DNA因失去保护被核酸酶DNaseI水解,目标物被释放,被释放的目标,诱发酶切循环物又能与脱附石墨贿表面上的其它核酸适配体。如此往复,电化18)学信号因绝大部分的电活性物质远离电极表面而降低(图.。t>?〇asaimr冷宁如々-I图1.8基于非限制内切巧信号放大的电化学传感器1.3.2基于核酸外切酶的信号放大技术-一一二核酸外切酶(exonuclease)是类可W从核酸分子的端逐水解麟酸酷键从而得到单个核巧酸的酶,它们对DNA序列没有要求,但有些核酸外切酶对DNA一一末端有定的识别性,因而在用于设计生物传感器的上有定的灵巧化。按照作用的底物链是单双链的区别,可W将其分为切割单链的核酸外切酶和切割切链的核酸外切酶I(ExoI)VII(Exo。切割单链的核酸外切酶有核酸外切酶和核酸外切酶VII)等。切割双链核酸外切酶有?I喧菌体外切酶UExo)和核酸外切酶III(ExoIII)DNAIW等,化腐用不。有文献报道利用人隨菌体外切酶进行信号放人W检测的研巧-U- 基于滚环扩增和核酸外切酶III辅助涌环放大的高灵敏英光生物传感器研巧;’’3-5如核酸外切酶,III广泛。核酸外切酶III可沿方向逐步水解DNA链其最适底物’’是有着平齐或凹陷的3端的双链DNA,对3端凸出的双链DNAW及单链DNA无活6465’[]石墨帰性,该酶也常常与氧化、量子点、分子信标等材料联合构建各种生物传感平台。67一243〇等[1利用氧化石墨帰和核酸外切酶III构建了种循环放大的夷光生物传感平台W灵敏、快速地检测DNA。当体系中不存在目标DNA时,与目标DNA序列’互补的、5端标记了英光素的单链DNA探针被吸附到了石墨蹄表面,由于核酸外切酶III不水解单链DNA,焚光素的夷光被浑灭。若目标DNA存在,它将与探针DNA互补杂交,巧光重新恢复。在形成的双链,形成的双链DNA离开氧化石墨赌表面DNA中’DNADNA因’,ExoIII从探针DNA的3端水解双链,目标其的3端凸出而免遭酶切,被释放后重新与探针杂交,,目标物循环使得信号不断放大检测限达到20pM(图1.9)。A.IlI"l.1'AmpHfled^i""?sensir^g^I^'^\/WV/+wv/了argetDNAProbeDNA67>(图.9xoIII1基于氧化石墨蹄和E检测DNA的信号循环放大黄光平台Xuan等利用分子信标和核酸外切酶一III构建了个超灵敏的电化学传感平’台,分子信标不仅标记了亚甲基蓝,其3端也被设计成凸出的结构。起初,由于核酸分子带负电且分子量较大,检测到的电信号十分,使得电活性物质远离电极微弱’。当目标DNA与分子信标杂交后,发夹结构被打开且形成分子信标的3端平DNA的’DNA齐3端凸出的双链,在核酸外切酶III的辅助下,分子信标被切、目标除.10)。,目标DNA循环,亚甲基蓝基团被释放到电极表面,电信号增强(图1--12 硕±学位论文'*eMBrobep*'*-〇0000>^X/v/^^^Ps^/XACIV?'ACteawdWTIII、订。说成<曲sur^ce—___*"""■5^rT^品皆只etesedTargetONA1八在J.**-—Cs__lirBtDNAinutgpiw图1.10基于Exoin和分子信标的超员敏电化学传感平台1.4本论文构思基于上述论述,在查阅大量文献及深刻调研之后,围绕当前较受关注的核酸酶,III、生物小分子、核酸等研究对象本论文拟将滚环扩增技术、核酸外切酶辅助循环放大技术与费光生物传感方法相结合,构建多重放大的超灵敏巧光生物。传感平台来特异地检测这些物质具体内容如下:(1)将滚环扩增RCA)III(Exoin)辅助放大相结合,扩(和核酸外切酶增出民CA产物后,在ExoIII的帮助下,利用预先设计的、与RCA产物互补的TaqMan一M’探针进行巧光分析。旦Taqan探针与RCA产物杂交,TaqMan探针的3端将变成凹陷状态,进而被ExoIII酶切水解,英光报导基团脱离巧灭基团从而产生巧光信’M号。而3端凸出的RCA产物则免遭酶切,可继续与其它Taqan探针杂交,进行信号第二次放大。利用RCA反应需耍引物链引发的特点,将引发RCA反应的引物链设计成S1核酸酶作用的底物链(sDNA),当体系中存在S1核酸酶时,sDNA被水解成单个或短片段的核巧酸.导致RCA因缺乏引物链而无法产生与TaqMan探针互补的产物,使ExoIII不能酶切TaqMan.无巧光信号产生。巧光强度的减弱程度与S1核酸酶的浓度有关,L:JS1核酸酶的灵敏检测。l此来实现对(2)利用滚环扩増III(ExoIII)循环放大相连(RCA)将两次核酸外切酶一Ex--Exo接om民CAIIINA,,按照顺序进行H次信号放大。通过设计种发夹D’一iRCA其3凸出端序列与目标microRNA大部分互补W识别鞭标,另端序列j中的DNA模板互补,形成环形,当体系中存在目标microRNA时,发夹DNA将被打开’’’原发夹DNA的3端平齐3,ExoIII3平、目标物端的凸出双链结构将从原发夹链的齐端水解双链部分,释放出目标物和引发RCA反巧的引物链,目柄;物将重新打开NA一,二次信号放其它发夹D,进行第次信号放大引物链引发RCA反应,进行第--13 基于滚环扩增和核酸外切庚III辅助循环放大的离灵敏巧光生物传感器研究T’大。得到的艮CA产物将再与单链TaqMan探针互补杂交,使aqMan探针的3端凹陷,并被Exo山水解,使TaqMan链上的巧光基团与浑灭基团分开,发射出英光信号。同时RCA产物与其它的TaqMan探针将继续杂交,进行第三次信号放大。通过ExoIII不断酶切,巧光信号大大增强,来实现对microRNA超灵敏地定量检测。(3)利用滚环扩増(RCA)和核酸外切酶III(ExoIII)辅助循环的双重放+大战略,通过ATP或K对S1核酸酶活性的抑制,将保护民CA反应的引物链不被水解,III,使RCA反应得进斤并顺利地发生后续的核酸外切酶辅助巧光信号放大反应,英光大大増强,根据巧光值的改变量W实现对目标物灵敏、定量地检测。--14 硕±学位论文第2章基于滚环扩增和核酸外切酶m辅助循环的双重放大费光传感器用于S1核酸酶的高灵敏检测2.1前言S一1核酸酶是种能催化核酸分子水解成单个核巧酸或小片段核昔酸的核酸内切酶。这种水解反应在细胞内的生物过程W及许多生物技术中发挥着重要的作用,WWW例如:基因的修复、重组、复制、转录W及分子克隆、基因分型和映射等。MStl传统的1核酸酶检测方法主要包括放射性同位素标记法、聚丙痛胺凝胶电泳法5767778’79P,tl111、高效液相色谱法科及酶联免疫分析法等。这些方法费力、耗时而且SfW操作较为复杂,部分方法还存在需要同位素标记的缺点。近些年来,,为了克服传统方法的缺点,其它检测核酸酶活性的技术相继出现82,一如电化学技术Wl和光学技术些可附着在DNA上的分子。例如,,如珪杂环戊83ss’siw一£1二婦分子、二蔡嵌苯衍生物分子及金纳米颗粒,旦核酶将DNA水解,将导致这些分子的聚集状态发生改变,进而引起溶液的英光或颜色改变,此来w0—93一swsifiP】f检测核酸酶。此外,些诸如碳纳米管、氧化石墨婦、金属原子纳米簇一等纳米材料也被用来构建分析核酶的探针。我们小组就设计了种WDNA为合成-模板的银纳米簇(DNAANCs)探针。该探针属于巧光增强型,它基于的原理是g-ANCs靠近时,当富鸟囑吟的DNA序列与DNAg,银纳米簇的焚光会急剧増强利用wti该现象来灵敏又简便地检测核酸内切酶。上述这些方法虽然可W避免传统核酶、检测方法的缺陷,但是仍然存在着灵敏度不够好耗材昂贵、合成步骤复杂等不足。出于此,本章利用滚环扩増技术(RCA)和核酸外切酶III辅助循环技术进行双重放大一种特异性识别单链脱氧核,从而超灵敏地检测S1核酸酶。S1核酸酶是M’WfS1核酸酶的基底单链DNA(sDNA)被设计为RCA糖核昔酸的核酸内切巧,一中的引物链,它可W与环形模板杂交,并在定的反应条件下启动扩増产生由无数重复序列构成的RCA产物。同时,使用可与RCA产物互补杂交的TaqMan探针一’3作为报导探针,该探针DNA序列的中间和端分别标记个巧光基团和巧光浑灭基团,此时,由于二个基团巧距很近.他们之间发生的灾光能量共振转移使巧光一旦与RCA产物杂交后aMan探针新基团的巧光被泽灭。,核酸外切巧III就可从Tq’凹陷端开始水解该探针形成的3,从而释放出巧光基团,产生巧光信号。与此同’M时,由于RCA产物的3端是凸出的,因而可免受酶切并继续与新的Taqan探针循环杂交获得明显増强的巧光信号。当存在S1核酸酶时,sDNA被水解成单个或短片--15 基于滚环扩增和核酸外切酶ni辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研究段的核巧酸,因为缺乏引发RCA的引物链,致使后续反应无法继续进行,检测不到巧光信号。因此,通过测定英光强度变化便可实现核酸酶的检测。整个反应无需温控循环的复杂仪器,且直接将S1核酸酶的反应底物作为RCA反应的引物链,一避免了复杂的设计,是种易于操作的,超灵敏地检测S1核酸,又经过双重放大酶的方法。2.2实验部分2.2.1试剂和仪器本章中使用的所有核巧酸链均由上海生工生物工程股份有限公司合成(序列-1见表2.1),并且都经过HPLC纯化。S1核酸酶(100U阵)从ThermoFisherScientific公司购买,Sl核酸酶的缓冲溶液(20mMNaAc150mMNaCl1^^及1mMZnS〇H,4,p4.5)用于SI核酸酶的稀释W及酶切反应,核酸外切酶III、BstDNA聚合酶(大片段).coliDNA连接酶、脱氧核糖核昔酸混合液(dNTPs)W及BSA均从New、EEnglandBiolabs(Ipswich,MA,USA)购买。其他所有试剂均为分析纯,且都从oreM-上海国药集团化学试剂有限公司获得。所有的试剂均用由MillipiUiQ超纯水仪(BillericaMAUSA)净化的超纯水配制,电阻率大于18.2MQ。,,巧光检测仪器为F-7000ach巧光分光光度计(HitiJaan),Taman探针的激,pq492nm510-runcm,巧光发射光谱扫描范围为6001,发波长为,的标准石英比色皿激发光和发射光的狭缝宽度均为5.0run,检测电压为950V。2NA表.1本实验中所使巧的D序列信息’,序列一(53)^.sDNAGTAGGTTGTAGGAGGAGAATTGGG挂锁探针POrCCTACAACCTACAAACCTCGACTGCAAGCTCTCCGACCTACCCACCACCCAATTCTCCTTM-aqan探针(FP)CGACCT(TAMRA)ACCCFAM2.2.2环形探针的制备65x50mMTr-将的杂交缓冲液(1isHClH8.0,500mMNaCl20mM,p,MgCb),8[iL挂锁探针(lOmM)i^Jl及10^iL连接探针(sDNA)混合,并将混°5C保持10min3h6LE.合液加热至9,然后在内逐步缓慢冷却至室温。接着加入u1—icox-li连接酶(1U叫/)、4U[iLl〇的连接酶反应缓冲溶液(300mMTrisHClH,p+—i8.040mMMCl10mMDTT260iMNAD500imLBSA)^及4,和超,g2,fJg咕°°纯水于16C下反应连接。12h后,将反应液置于65C下20minW灭活连接酶。然—1I后加入1咕核酸外切酶I(20UnL)W及1咕核酸外切酶III(100U叫/)--.16 硕±学位论文°°链DNA90C下灭活20在C下反应过夜W水解体系中的单链和双,最后两种酶在37°min。将得到的环形模板储存在4C冰箱待用。2.23S1核酸酶的检测sDNA0nM)的S1核酶缓冲溶液与不同浓度的S1将10叫^含有(终浓度为40°。%C5minW终止酶切反应。核酸酶在37C下僻育30min,然后于下反应2.2.4滚环护増反应12UBstDNAdNTPs.将上述的酶切反应物与5〇〇nM,300nM环形探针W及-8mMx0mMTrisHCl.810il的ThermoPol中(2,pH,聚合酪混合于10[L缓冲溶液°〇-65C下反应2h1〇lritonX100),然后将反应混合物在KC./〇Tl0mMNH4)2S〇4,,(°民CA产物。后80C热20mmW灭活酶,从而得到,升温至失活2III辅助的循环放大.2.5巧酸外切酶xmMb-NEB缓冲液isTris将5TaMan探针、5^lL10l(100^lL浓度为l^lM的q,-0m加入RCA产物中于TTH7.02U的核HCI100mMD.0)W及酸外切酶丙烧,,p〇C避光反应90。37min,然后进行巧光检测2.3结果与讨论2.3.1实验原理一是将S本章中H个关键设计;1核酸酶的底物链作为,该S1核酸酶传感器有艮CA反应的引物链;二是民CA放大反应;H是核酸外切酶m辅助的循环放大庭应。原理如图2.1所示。S1核酸酶存在的情况下,sDNA被酶切成单个或小片段的脱氧此无法获得RCA产物。后续的RCA反应因缺乏引物链而无法进行,因核糖核巧酸,但当体系中不含有S1核酸酶时,sDNA将保持完整,并可W与环形DNA模板互补杂一DNA(图2.1A)。然后,交从而引发RCA反应得到条长的、含重复序列的单链A产物互补的TaMan探针进行巧光分III先设计的、与RCq在Exo的帮助下,利用预析TaMan探针上的巧光报导基团和巧光萍灭基团距离较近,巧光被。起初,由于q,可W被Exo一III旦与RCA产物杂交aMan探针的3端变成凹陷状态,因而浑灭。,Tq’巧光报导基团从而产生巧光信号。与此同时,3端凸出的RCA产酶切水解,释放(Man探针杂交,图Ta,循环往复巧光信号大大増强物则免遭酶切,可继续与其它q放大战略和酶切反应前后的巧光变化,我们设计了2.1B)。因此,利用这种双重一种灵敏且高效的。S1核酸庚巧光传感器-7-1 基于滾环扩增和核酸外切酶m辅助循环放大的高灵敏災化生物传感器研究AcirculatemlatepnoRCAProduct^「sDNADNAomerase八/V/plyRCAProduct^B,:RCAProduct^\__甚名d>图2.1SI核酸酶巧光传感器原理示意图:(A)S1核酸酶存在与否下的RCA反应;(B)ExoIII辅助酶切循环巧光信号放大反应2.3.2传感器的验证为了证实设计思路行之有效,我们首先进行了癸光检测。激发波长为492nm时,并未检测到TaqMan探针的巧光,这也就意味着体系的背景巧光非常小(图2.2A)S1520(a。核酸酶时,巧光发射在nm处显著地増强英光,曲线当体系中没有一(.基团FAM的特征峰),说明体系中产生了RCA产物图22A曲线b)。旦引入,S1核酸酶,巧光急剧下降,这表明sNDA被S1核酸酶水解,因而无法引发RCA反应TaMan探针杂交的产物(图2.2AC)。来产生与q,曲线为了确保萊光信号的减弱°1S110是由S核酸酶切导致,我们先将核酸酶在95C下加热min使酶发生不可逆的s变性,再将灭活的S1核酸酶与DNA赔育,最终的结果显示有很强的巧光信号产生1DNA(图2.2A曲线d)所致。,由此证实了先前黄光降低确实是由S核酸酶水解s,同时,我们还进行了凝胶电泳实验,电泳结果同样映证了芙光结果。图2.2B描述了在不同实验情况下S1核酸酶催化切除sDNA的琼脂糖凝胶电泳图。S1核酸酶存在的情况下,sDNA被水解成单个或小片段的脱氧核糖核酸从而可迁移出凝胶,在电泳芙光图谱上无法看到sDNA(孔2)的条带,在没有S1核酸酶存在时。相反的sDNA条带(孔1)W及与灭活的S1核酸酶脾育的sDNA条带(孔3)却清晰可见。这些结果表明,体系的荣光降低确实源于S1核酸酶对sDNA的降解。类似的结果也出现在RCA反应产物的凝胶电泳图上(图2.2C)。孔2处并未看见民CA产物,这也RCANAW及与灭S1核酸是因为sDNA被降解从而无法引发反应所致。但是,沁活酶解育的sDNA均能在RCA反应中转变成高分子量的单链DNA,从而分别在孔1和子L3的孔口处呈现明亮而清晰的条带。--18 硕±学位论文A饥00Background?sDNA._-_b ̄祀NA巧3400口1""'^""*、'*****-*^-I+dena巧^d:,DNAturedS1'■■S3000\S2000占J1000r0■■520540560580600Wavelength(nm)RM123广M123■■56^■圍30b2.2(A)Tamans400nMSl图q探针的英光发射光谱图;所使用的DNA终浓度为核酸酶的,-UmLi020.02UxoIII.S1终巧度为,体系中含有的E(B)核酸酶酶切反应的琼脂糖凝胶电泳图(5%),孔M:10bp的Mark,孔1:10沁NA,孔2:10sDNA和1US1核:11核酸巧2h)酸巧,孔310nMsDNA和U巧活的S;(C)RCA反应(的琼脂糖凝巧电泳田(0.7%)2.3.3实验条件优化一i为了得到最佳的信号响应,我们进行了系列的实验L:,?得到最佳检测条件其中包括S1核酸酶催化水解sDNA的时间、RCA反应的各种条件(如RCA反应时间、聚合酶的浓度、环形模板的浓度W及dNTP的浓度)和ExoIII辅助循环放大的反应条件(如TaMan、ExoIII的浓度及其酶切时间)2.3S1q探针的浓度。图反映/核酸1酶酶切时间对荣光强度的影响,F和F分别代表不存在和存在S核酸酶时的英光强d1度,,,5min,。由图可知随着反应时间的延长英光信号减小在前内巧光强度快速降低,而30min后巧光强度几乎不再发生变化。这说明sDNA在30min内基本上-9-1 盡于滚环扩增和核酸外切酶川辅助巧环放大的高灵敏义光生物巧感器研光,30min作为S全部被水解完全。因此选择1核酸酶催化水解反应时间。100802〇60/40雹/^20I——————0■■■■■—0102030405060S1nucleasecleavagetime(min)2ITMI图.3Saqan探针黄光响I应的影响S核酸巧巧切反应时间对;核酸巧和sDNA的终巧度|分别为0.02U0/和400nM。误差棒是3次平行实验的标准偏差^由于RCA产物中存在大量与TaqMan探针互补的重复碱基序列,因此艮CA反应时间直接影响ExoIII辅助的巧光信号放大。图2.4讨论了RCA反应时间对英光信号的影响,,。由图可知传感器的巧光信号随民CA反应时间的巧长而増大两个小时后,巧光强度増加很缓慢,预示着民CA反应几乎反应完全,而此时的信噪比最高,因此选择2h作为民CA反应的最优时间。同理,黄光信号的强度也会随着民CA反应体系中聚合酶的浓度、环形模板的浓度W及dNTP的浓度增大而增强,但背景信号也会随之増加,因此选择信噪比最島时对应的浓度作为最佳反应条件,—'它们分别是5.M:终浓度为20UmL的BstDNA聚合酶(图2.),终浓度为05mNTP(.6)300nM的2的d图2W及终浓度为环形模板(图.7)。50009warnnosi—■0.04un化SIt一誦芝;0.51233.54RCATimeh()图2.4RCA反应时间对传感器巧光信号的影响。误差棒是3次平行实验的标准偏差-20- 硕±学位论文—1240000.04unitS1^I!輪邮05102030405060C_1oncentrationof巳Stpolymerase(UmL)图2.5聚合酶浓度对传感器巧光信号的影响3次。误差棒是平行实验的标准偏差5000化r^HnoSi?0.04unitsSI4000化史N扁>0.050.10.30.50.812。3图.6dNTP浓度对传感器巧光信号的影响误差棒是次平行实验的标准偏差300010■■noS1下?004uraHS1.432500—,'MdrXA9^2〇〇〇8iz叫mill;100200300400500ConcentrationofcirculartemplatenM(》。图2.7环形模板的浓度对传感器巧光信号的影晌误差棒是3次平行实验的标准偏差-2-1 基于滚环扩增和核酸外切酶出辅助巧环放大的島灵敏巧光生物化感器研究Exo一’’’III是种从3端到5端定向水解双链DNA的脱氧核糖核酸酶3,对端’平齐或凹陷的双链DNA有特异性响应,对3端凸出的双链W及单链DNA没有活PW性。但是,我们小沮发现高浓度的ExoIII也可缓慢水解单链DNA,这意味着高浓度的ExoIII将致使高的背景信号,但是ExoIII浓度过低,使传感器不灵敏,,EIII因此xo的用量对传感器至关重要。图2.8考察了ExoIII浓度对传感器响应信号的影响。起初,传感器的英光信号随着ExoIII量的增加而增大,然后在高浓Exo一一度的III下信号出现波动,但是背景信号却直随么迅速增大,这也再次证实高浓度的ExoIII能够酶切水解单链TaqMan探针。由图可知,信噪比在Exom-'终浓度为0.4UmL时达到最大,高于或者低于该值信噪比均不是最佳,因此将该浓度作为传感器的最佳酶用量。500020■■BackroundAgQ■〇3400nMsDNA.T4000TT.女163。。。’雪I!u6!1000]^mint〇020.4.124-1ExoIIIUmL()图2.8ExoIII的巧度对传感器巧光信号的影响。误差棒是3次平行实验的标准偏差同样,TaqMan探针的浓度和ExoIII酶切反应时间对传感器信号有着类似的影响,TaqMan探针浓度越高、酶切反应时间越长,巧光信号和背景信号均不同程度的增加,因此,选择信噪比最佳时的反应变量Man,也就是终浓度为lOOnM的Taq探针(图2.9)和90min的酶切反应时间(图2.10)作为ExoIII辅助循环放大的最佳反应条件。6000Background16^400nMNAtO了^^.1435000..謹足.rT两12>4000?tZ。湧3。。〇.|:;i=2000護n6国謂^4il!100050100200300500ConcentrationofFPnM()图2.9TaqMan探针(FP)的浓度对传感器黄光信号的影响。误差棒是3次平行实验的标准偏差-22- 硕±学位论文.16圓气4000■XX:20。。.|fIMr!I|'yr?6I4二1000!LL..H.2._011? ̄ ̄mm_m_i〇3060901201如ExoIIIcleavagetimemin()图2.10ExoIII酶切反应时间对传感器巧光信号的影响。误差棒是3次平行实验的标准偏差234S1..核酸酶的检测分析,该检测方法对S在优化的实验条件下1核酸酶的线性检测区间和最低检测浓度被考察,我们用不同浓度的S1核酸酶与sDNA进行赔育从而得到传感器的英光7-l211Axx变化情况。从图2.,随着S5l(rl/10可W看出1核酸酶浓度从U^增加到2iIU^/,所检测到的芙光强度呈逐渐下降趋势,表明sDNA水解程度加剧。图2.118描绘了传感器巧光信号与不同S1核酸酶浓度的关系,由图可知,当S1核酸酶浓-2-l度达到2xlOU^^L时,英光信号强度降至平台,且芙光强度在81核酸酶浓度处 ̄53l于5x1(TU1.5xl(^UlL范围时,呈现良好的线性关系,相关系数为叫到^一些其它检测S0。21核酸酶的方法,相比之下.997表2.总结了,我们的方法表现出更高的灵敏度。-23- 基于滚环扩巧和核酸外切贿m辅助巧环放大的高灵敏巧光生物巧感器研究A如00—。?-^—00.__005_4000迪二L罩,’‘|"u曲’3000-:^^^E^I^p^2000.I:^^^Itut1000 ̄ ̄ ̄0班0540560580600—Wavelengthnm()D5000-I1i三3500I■II:14000?立;K立2500^--3000扣饥55C\I1500gWM2000■g姜\1iEisoo-LL10000.00^0.40.60.81.01.21.41.6、-3_iS1X1〇UmL[]()0■rr■■::02468101214161820223-1^1x1〇umL]()21A)图.1(对不同巧度的SI核酸酶检测的巧光发射光谱图。(B)费光信号强度与SI核酸S13酶浓度的关系。插图为核酸酶检测的线性响应范围。误差棒是次平行实验的标准偏差表2.2本传感器与其它S1核酸酿检测方法的比较检测限方法借助王具参考文献11(U)心4电化学聚阳离子敏感的膜电极2.4Xl(T[81]-3x巧光嘻咯的凝集诱导发射7.510[83]59X歌光二蔡嵌苯衍生物的凝集诱导泮灭1(T4.2巧]-3比色带正电的金纳米颗粒4.3x106巧]4巧光W单链DNA为合成模板的铜纳米颗粒3.0X1(T90[]5G10X巧光接近富碱基序列后巧光增强的银纳米簇.1(T93[]—5策光G-四联体和原叶晰LX4x1097.0[]-7RCAEIII5x荣光xo.01,辅助的循环放大0本工作-24- 硕±学位论文2.3.5选择性考察S一为了验证该传感器检测1核酸酶的选择性和特异性,我们选用了些常见的IIII)酶和蛋白作为干扰物进行对照实验,其中包括核酸外切酶(ExoII、牛血清蛋白(BSA)、凝血酶Thrombin)chE)。结2.12(W及乙醜胆碱醋酶(A果如图所示,虽然各种干扰物质的浓度远远高于S1核酸酶,但仅在S1核酸酶存在的时传感器才有很好的信号响应,其它的酶或蛋白在同样相同实验条件下,焚光信号变化很小。这说明该传感器对S1核酸酶的检测具有良好的选择性。5000-I1nil2。。。.III|IIBlankS1Exo川BSAThrombinAchEi图2.12SI核酸酶检测的选择性考察。SI核酸酶的浓度为20UmL,核酸外切酪III的浓度---iii为50UmL,BSA的浓度为ImgmL,凝血酶和乙醜胆碱醋酶的巧度为500UmL。误差棒是3次平行实验的标准偏差2.3.6实际样品分析为了验证该巧光传感器在生物样品中对S1核酸酶进巧检测的可行性,我们选用了HeLa细胞的裂解液作为样品W检测其中的S1核酸酶。HeLa细胞中S1核酸,酶含量分析结果如表2,得到的回收率W.3所示。此外我们进行掠准添加法实验及相对标准偏差都比较令人满意,表明该方法可W尝试应用于实际样品中S1核酸酶的检测。表2.3HeLa细胞中S1核酸巧的检测检测值添加值添加后的分析值样品回收率(%)RSD(%),,,''U'UmLUmLmL10.220.500.7198.63.320.580.501.11102.86.630.950.501.46100.74.4样品3为原始的HeLa细胞巧解液,样品1和样品2分别是在样品3的基础h分别稀释T4倍和1倍。-25- 基于滚环扩增和核酸外切巧山辅助循环放大的髙灵敏巧光生物传感器研巧2.4小结一本章基于滚环扩増和核酸外切酶III辅助循环的双重放大,构建了种超灵敏的核酸酶检测方法。该方法直接将S1核酸酶的底物DNA设计为RCA反应的引物链,在RCA反应中扩増成可与TaMan探针互补的、由重复序列串联的大分子单q链DNA,再通过ExoIII循环酶切产生可检测的巧光信号,两次放大使这种检测方法十分灵敏和可靠。RCA的引物链即为S1核酸酶作用的底物链,避免了繁琐的DNA链设计W及链替代反应,整个实验无需复杂的温度循环仪器,操作简便。此夕h该方法还用于实际样品分析中,并且表现优良。基于上述优点,本章构建的这种超灵敏的费光传感器有望在生物医学、生物学和生物传感等领域得到更广泛的应用。-26- 硕±学位论文第3章基于滚环扩增桥连的两次核酸外切酶III辅助循环的多重放大黄光传感器用于microRNA的超吴敏检测3.1前言一cro8?MiRNA是类短小的、内源性的非编码RNA,长度大约在124个核糖核昔酸之间。它们在生理和病理过程中扮演重要的角色,,可W调控基因的活性98 ̄i02lt、、且对细胞的増殖迁移W及调t有抑制或促进作用,在癌症糖尿病和阿尔iMi’tW兹海默症的诊断和预后中也十分有预测价值。有研究发现,某些microRNA能够在癌细胞中异常表达,这种表这与癌症启动、肿瘤阶段W及对肿瘤治疗的响10210511,:应息息相关。所(^|,microRNA被当作癌症治疗中的肿瘤标记物和治疗範标-98wiiMi,[,W。mi因此,croRNA的高效检测对更好地了解它们在肿瘤细胞中的角色一W及进步验证其在生物医学研巧和临床诊断中的功能至关重要。但是,micro一民NA的一些特殊性质使分析它们具有定的难度,例如,片段小、在家族中序列i的高同源性tWmcoA、在总体RNA中的低丰度。因此,发展持异性、超灵敏的irRN定量检测的方法乃当务之急。Northern印记分析法是现行的micro艮NA标准检测法,但是这种方法需要的iAiWt样品量较大,且灵敏性不太令人满意。微阵列也因为其高通量的筛选能为被越来越多地用到microRNA的表达分析中,尽管如此,其灵敏度和特异性仍然有-m116[]待提商。实时PCR也被经常用于microRNA分析,其检测限可达到单分子水平,但是,该方法需要精准地控制温度循环W保证放大过程的成功,而且因microiiwwtRNA片段小,需要比较复杂的链设计。除上述常用的检测方法,许多新策略被研究W改善microRNA分析的灵敏性和稳定性,如基于纳米粒子的分析UM125itW[][W,基于生物发光的方法,改进的浸染检测法,基于核糖核酸酶的方法inIiwliIWfi,基于序列设计的方法,DNA链替换法,基于发夹的放大法及基uwufi等于聚合物交联的方法。滚环扩増因其具有简单、稳健、特异、高灵敏、等wonti温放大的特点被越来越多地应于microRNA的检测中Jstr叩等首次一借助滚环扩増(RCA)构建了个microRNA的分析平台,该平台使用northern"4en[1印记法作为检测方法。Chg等通过引入二级引物而非待检测的microRNA作)为挂锁探针的连接模板,再将SYBRGreenI(SG原位插入艮CA产物中进行巧光检测。此外,大量基于RCA的改进方法相继被报道,如使用哑铃形的DNA探iitWtW针、脱氧核酶、编码的凝胶微粒等检测microRNA。本文构建了一种基于滚环扩增和两次核酸外切酶III(ExoIII)循环放大的多-27- 基于滚环扩增和核酸外切酶m辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研宛重放大黃光传感平台W灵敏地检测microRNA,按照ExoIII酶切循环,民CA,&C0一III酶切循环的顺序进行H次信号放大。首先设计了种用于识别目标microRNAA该发夹DNA茎部的’的发夹DN,3端凸出且能与範标大部分互补杂交,当体系中存在目标microRNA时,它将与发夹DNA杂交,从而打开发夹形成原发夹DNA’的’3端平齐的双链结构,此时Exom将从原发夹链的3平齐端开始水解双链部分,’’目标物则因为其3端序列未完全与发夹DNA序列互补形成凸出的3端而免遭酶DNA一切,被释放并重新打开其它发夹,进巧第次信号放大。同时被释放的还有发夹DNA中与microRNA不互补的部分,该部分被设计成为RCA反应中的引物链,可与环形DNA模板杂交,在适当反应条件下,引发民CA反应,生成民CA产物,进行第二次信号放大。得到的RCA产物可与单链TaMan探针互补杂交,使q’MTaqMan探针形成凹陷的3端,进而被ExoIII水解,使Taqan链上的费光基团与萍灭基团分开,焚光信号被检测。同时RCA产物可重新与其它的TaqMan探针继续杂交,ExoIII绝续酶切,释放更多的巧光基团,进行第H次信号放大。本章基于上述原理,实现对mcroRNA。i超灵敏地定量检测3.2实验部分3.2.1试剂和仪器本章中使用的所有脱氧核糖核昔酸链均由上海生工生物工程股份有限公司合31)H化CRNA由Tak1成(序列见表.,并且都经过纯化,microarabio;echnology(大连)公司合成纯化得到,核酸外切酶III、BstDNA聚合酶(大片段)、E.coliDNA连接酶、脱氧核糖核巧酸混合液(做TPs)W及BSA均从NewEnglandBiolabs(Ipswkh,MA,USA)购买。其他所有试剂均为分析纯,从上海国药集团化学试剂有限公司获得。所有的试剂均用由DEPC(焦碳酸二己醋)处理过的去离子水配制(从上海生工生物工程股份有限公司购买)。-英光检测仪器为F7000英光分光光度计(Hi化化iJaan),Taman探针的,pq激发波长为492n-600nmcmin,巧光发射光谱扫描范围为510l的标准石英比色,皿nm,检测电压为9。,激发光和发射光的狭缝宽度均为5.050V-28- 硕±学位论文表3.1本实验中所使用的DNA序列信息,,?序列一(53)Le-AGGt7aUGAGGUAGUUUGUAUAGUUGTAGGTTGTAGGAGGAGAATTGGGTACAACCTA发夹DNA(HP)CTACCTCAPO-CCTACAACCTACAAACCTCGACTGCAAGCT3挂锁探针CTCCGACCTACCCACCACCCAATTCTCCT-TaqMan探针(FP)CGACCT(TAMRA)ACCCFAM-Let7iUGAGGUAGUAGUUUGUGCUGUU-miR222AGCUACAUCUGGCUACUGGGUCUC-223UGUmi民CAGUUUGUCAAAUACCCCA3.2.2环形探针的制备5x的杂交缓冲液-将6[iL(150mMTrisHClH8.0,500mMNaCl20mM,p,MCk)8(lOmM)W及10(sDNA)g,^L挂锁探针叫连接探针混合,并将混°合液加热至95C保持10min,然后在3h内逐步缓慢冷却至室湿。接着加入6jxL’-i1><-E.coli连接酶(1U咕)、4UiL10的连接酶反应缓冲溶液(300mMTrisHCl^,+—ipH8.0,40mMMgCb,10mMDTT,260NAD和500帖mLBSA)抖及4nL°°5超纯水于16C下反应连接。12h后,将反应液置于6C下20minW灭活连接—1酶。然后加入1咕核酸外切酶I(20U咕)W及l^L核酸外切酶III(I00U1°°叫/)在37C下反应过夜将单链和双链DNA切除,最后两种酶在90C下灭°活20min。将得到的环形模板储存在4C冰箱待用。3.3mmicroRNA.2核酸外切酶辅助的目标循环放大30mMTrs-mMNaC将20阵反应缓冲溶液(iHClH8.0100l4mM,p,,Ck-Mg),10iL发夹DNA,10^不同浓度的let7a^及4U的核酸外切酶III^。°混匀后于巧C下賠育1h,然后于85C下反应10min灭活酶从而终止酶切反应。3.4.2滚环扩増反应将上述的酶切反应产物与500[iMdNTPs,300nM环形探针^及1.2UBstermoPo(r-DNA聚合巧混合于10^的Thl缓冲溶液中20mMTisHClH8.8,冲,p°1mM(NHron-0mMKCl10SO0,4)24.1%TitX100)然后将反应混合物在65C,,°下反应2h后,升温至80C热失活20minW灭活巧,从而得到RCA产物。-29- 基于滚环扩増和核酸外切酶【II辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研究3.2.5核酸外切酶m辅助的黄光信号放大将5^L浓度为axss-l^lM的TqMan探针、5^lL10NEB缓冲液l(100mMbiTri-mMHC..,丙焼1,100DTT,pH70)及002U的核酸外切酶III加入RCA产物中°C避光反应90min。于37,然后进行蒙光检测3.3结果与讨论3.3.1实验原理H次放大一本章对microRNA的检测进行了;第次是核酸外切酶III酶切发夹DNA,从而实现目标物的循环放大;第二次是RCA放大反应;第H次是核酸外切一酶III酶切TaqMan探针,从而使巧光信号放大。原理如图3.1。首先设计种发夹DNA,该发夹DNA绿色部分的序列与目标microRNA的大部分序列互补,蓝色部分的序列与RCA反应中的环形DNA模板互补。起初,由于发夹DNA茎上的’3端西出,因此可在含ExoIII的体系中不被水解而稳定存在。当体系中有目标microRNA时,microRNA与发夹DNA链互补杂交后形成的双链结构较发夹结构’’更为稳定,因此发夹被打开,形成原发夹DNA的3端平齐、microRNA的3端凸’出的双链结构,此时ExoIII将从原发夹链的3平齐端开始水解绿色部分,目标’microRNA则因其凸出的3端而免遭酶切,从而被释放并重新打开其它发夹DNA,如此往复一,进行第次信号放大。同时被释放的还有发夹DNA中的藍色部分,该部分则与环形DNA模板杂交引发RCA反应,得到民CA产物,进行第二次信号放MM’大。生成的RCA产物可与单链Taqan探针互补杂交,使Taqan探针的3端凹略,进而被ExoIII水解,TaqMan链上的英光基团与萍灭基团分开,产生巧光信号。同时RCA产物可重新与其它的TaqMan探针继续杂交,ExoIII继续酶切,释,巧光信号大大增强放更多的巧光基团,循环往复,进行第H次信号放大。反之,当不存在目标microRNA时,发夹不能被打开,RCA反应的引物链不会被释放,。从而检测不到巧光信号因此,利用这种RCA巧连的两次核酸外切酶III循环的一(ExoIII-RCA-Exo多重放大战略III),我们设计了种高效且超级灵敏的microRNA蒙光传感器。-30- 硕±学位论文HaiirpnDNA}——*^^3严?.3microRNAsXExoD?-\—)^?-J‘1‘〇\tciat?tSrculrmplat;g"q…"mb,RCAProduct,^^^礙7VJ*---4違系3--.1xoIIIRCAExoIIImRNA图基于E的多重放大巧光传感器用于检测icro的原理图3.3.2传感器的验证,32我们首先对其可行性进行验证.依据传感器设计原理。图为反应体系的茨光光谱图。曲线a表示体系中仅存在TaqMan探针时的光谱图,在激发波长为492nm时,并未检测到蒙光,这说明背景英光非常小。曲线b为不存在目标micro艮NA时,体系的巧光光谱图。由于此时发夹DNA没有目标物将其打开,ExoIII不能将其水解,致使引发RCA反应的引物链无法被释放,RCA因此不发生反应,也不会发生后续的ExoIII水解TaqMan探针释放巧光基团的反应,所W检测不到巧光C-信号。曲线表示当体系中引入靴标let7a时的巧光光谱图,可看到很强的巧光-信号。这是因为let7a与发夹DNA互补杂交后形成的巧链区域被ExoIII水解后,释放出的引物链引发了RCA反应,得到的RCA产物与TaqMan探针杂交形成单链双链区串联的结构,此时体系中的Exom可W水解双链民域的TaqMan探针,-将巧光报导基团释放出来,发射出巧光,。曲线d与曲线C相比较其区别在于let7a,和发夹探针杂交后没有在体系中引入Exo,从而没有释放RCA反应所需的引III物链,因此后续的RCA反应和ExoIII酶切循环放大反应无法发生,致使巧光信■号不能产生。上述现象表明该传感器PJ用于micro艮NA的检测。有趣的是,Xuetwil等报道了即使不存在ExoIII也可引发RCA反应,这是因为他们在RCA反应中使用的聚合酶为phi29DNA聚合酶,该酶不仅具有链替代活性,还具有链水解活性,在发夹DNA与靴标杂交后,引物链序列部分是裸露存在的,它仍可退火到RCA反应中的环形模’板上,此时phi29DNA聚合酶W将3末端不互补的部分水解-3^ 基于滚环扩增和核酸外切酶川辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研究后再延伸,引发RCA反应。因此,本章中RCA反应使用的聚合酶为不具有链水解活性的BstDNA聚合酶,W保持传感器的稳定性。加00一^TaqM?口'I■■bH尸+ExoII+RCA巧XO"+TSaq"an-+ExoLM7a+HPl"+RCA+Exo+?llTMan巧4000■qd-+HP*RCA*:L"7aExoo。。"KTq"录3■\000\2000vJa!■.1000*■0J520540560580600Wavelength(nm)M-图3.2:所使用的发夹DNA(HP)lOOn终浓度为,let7a的浓度为OM,黄光响应分析lp两次放大过程中使用的ExoIII的含量均为0.02U3.3.3实验条件的优化为了使传感器法到最佳检测效率一,系列的实验条件被优化。因为发夹DNA的用量对microRNA的检测十分重要,先对其浓度进行了优化。图33.反映了发DNA(HairinHP)对巧光强度的-夹p,FF分et,影响〇和别代表不存在和存在目标l7a时检测到的巧光强度,DNA的。由图可知随着发夹浓度增加,焚光信号增强,当浓度达到100nM时,DNA的,羡光强度达到平台浓度继续增加发夹,笑光信号也不再增加。因此,我们最终选择100nM为传感器中发夹DNA的终浓度。45004000__I3500*-43000■u_X2500y2000r11I15001111020406080100120140160ConcentrationofHProbenMp()-3.3发夹DNA的浓度优化。e7a1M图lt的浓度为0误差棒是3次平行实验的标准偏差p,-32- 硕±学位论文ExoIII在整个传感器中的作用尤为重要,因此对其反应浓度和反应时间进行’优化十分必要,Exoin。由上章可知高浓度的可W水解单链或者3端凸出的双链DNA一,在ExoIII辅助的第次循环放大过程中,ExoIII的浓度过高将出现假阳性,浓度过低又使传感器不够灵敏,III.因此,先的用量进行了优化4对Exo。图3一Exo考察了第III浓度对传感器响应信号的影响次循环放大过程中。传感器的巧光信号随着ExoIII量的增加而增大,然后在高浓度的Exoni下信号几乎不再变化,体系中不存祀标时的背景信号在低浓度的Exom时几乎没有增长,可是当浓度过一了某阀值,发夹DNA被高浓度的ExoIII水解释放出RCA的引物链后,即使是少量的引物链,,经过RCA放大后也会产生很强的巧光导致假阳性信号。由图可-ExoiIII05UmL知,在阔值之前,信噪比在终浓度为.时达到最大,因此将该浓一度作为传感器ExoIII辅助的第次循环放大过程中的最佳酶用量。500012P10M-7?letp3欄.in0TT1;3。。。尸T雪\2〇〇〇|,I.4!I|-100011120L,+V,—*III頭■t_[0010...20.304050.6124._1ConcentrationofExoIIIUmL()一xo图3.4第次放大过程中EIII的浓度对传感器黄光信号的影晌。误差棒是3次平行实验的标准偏差一接着,我们第次循环放大过程中ExoIII酶切的时间对传感器响应信号的影响,如图3,.5所示ExoIII酶切的时间越长,笑光信号越大60min后,且在反应一几乎达到平台,ExoIII,因此辅助的第次循环放大过程中的时间选定为60min。巧00—4000IJJ35003000/^^2500X2000/1500/1000020406080100120140ExoIIIcleavageTime(min)一3.5次放大过程中Exom消化时间对传感器巧光信号的彩响图第。误差棒是3次平行实验的标准偏差-33- 基于滚环扩巧和核酸外网酶III辅助循环放大的島灵敏巧光化物巧感器研允3.3.4micro民NA的检测分析在最佳的实验条件下---,考察了ExoIIIRCAExoIII巧光传感器检测7a的线Iet-性检测区间和最低检测浓度,通过将不同浓度的et7a与发夹DNA在ExoIII存l-在下进行解育.t,得到了巧光变化情况。从图36A可W看出,随着le7a的浓度从0增加到-lOpM,巧光强度逐渐增大,表明发夹DNA与let7a杂交形成了双链DNA一的结构,,继而发生了ExoIII辅助的第次循环放大第二次RCA放大和ExoIII辅助的第H次循环放大-7a。图3.6B描绘了传感器的巧光强度在let浓度处于1aM至10pM范围时,有好的线性关系,线性相关系数为0.999,检测限为化32aM。A5000?4000z:r一Le-…\\t7a同二每3000;1—C\\X0.001_。20001二t—誦三 ̄ ̄ ̄ ̄A0 ̄■I■I巧0540560580600Wavelength(nm)巨5000=4000至^3000C.XI2000.呈X1000y0^ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄—......0...-4-3-2-01234561-l7afMloetg[]()^Q--3.6图(A)不同浓度Let7aet7a巧度之间的检测黄光光谱图。(B)巧光强度与L关系。误差棒是3次平行实验的标准偏差3.3.5选择性考察为了验证本传感器对e-RNAlt7a检测的选择性,我们选用其它的micro为干-34- 硕±学位论文扰物进行对照实验-7et-7m化-222m化-,其中包括let家族中的liW及和223。结e-果如图3.7所示,只有在lt7a存在的情况下,该传感器才有很好的信号响应,而-同等实验条件下,其它的microRNA几乎检测不到英光信号。因此,该方法对let7a的检测具有良好的选择性。60005000呈自若4000■3〇〇〇I圓2〇〇〇圓三山1000I--B-lackLt-7aLet7iR222miR223eim3-图.7Let7a的选择性考察。误差棒是3次平行实验的标准偏差3.4小结本章构建了一种滚环扩增娇连的两次核酸外切酶III辅助放大的多重放大巧光RNA’RNA互传感器用于micro的检测。该方法使用3端凸出又与目标micro补的发夹DNA作为识别靴标元件,当目标microRNA存在时,它将与发夹DNA杂交,DNA’Ex从而打开发夹形成原发夹的3端平齐的双链结构,在oIII的辅助下发生靴标循环放大,DNA中RCA反应的引物链RCA反同时释放发夹用来引发,发生应,得到的RCA产物与单链Taan,在Exoin的辅助下qM探针结合,发生RCA产物循环,32a,英光信号被放大。H次的放乂过程使得传感器的检测限达到0.M十分灵敏,也展现出了较好的选择性,该传感器非常适用低丰度、高同源性的microRNA分析。此外,滚环扩增反应和核酸外切酶III酶切反应都在恒温下进行,无需复杂的温控循环仪器,通过设计发夹DNA的序列,可W用于其它microRNA的,,检测,通过设计民CA中环形DNA模板的序列可扩増出更多的功能DNA序列赋予传感器更多功能,该传感器在癌症早期诊断,生物医学、生物学和生物传感等领域有较好的应用前景。-35- 基于滚环扩增和核酸外切酶in辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研巧第4章基于滚环扩增和核酸外切酶III辅助循环的双重+放大黄光传感器用于ATP和K的检测4.1前言生物体内含有许多重耍的小分子和离子,它们是生命活动重要的参与者,其含量的变化直接反映着机体的健康状态,如ATP的含量可反映细胞的生长状态1"21iwi,ATP的中钟离子调节着细胞的渗透性和其它离子的浓度。文全称为腺嚷一一>岭核巧H稱酸,它是由分子腺嘿岭,分子核糖1^1及云个憐酸基团组成的高能-??,ATPAPPP,其中A表示腺巧,T化合物分子的结构式可简写为表示兰个,P""?则表示磯酸基团。代表普通的化学键,代表高能礎酸键,高能憐酸键断裂时UW"会释放大量的能量nATP被认为是生命的能量分子,作为细胞内能量传递的分",起着储存和传递化学能的作用。ATP存在于所有有机体中子货币,参与着机UW体的新陈代谢,,在生物合成神经活动,主动运输等方面发挥着重要的作用tMSjtiW也充当着神经传递和炎症过程中的信号分子。体内ATP水平异常UW152[]、血管疾病与许多疾病息息相关,如屯,等阿尔兹海默症帕金森症。常iWt常被用作指示剂,乡断细胞活性或细胞损伤及微生物污染ATP可W。iss通过细胞内糖酵解ti、H綾酸循环W及氧化憐酸化反应等多个途径产生。神离子+K、肌和神经肌肉均需要相对恒定的钟离子浓()是细胞内液中主要的阳离子,屯tise’wi度W维持正常的应激性,同样也是植物生长过程中所需要的重要营养物质。+因此精确地检测ATP,K这类物质,在生物化学,临床医学W及食品卫生等方面方面有着重要的意义。issTPti传统的A检测方法主要包括高效液相色谱法,质谱分析法及生物UM1发光法。虽然这些方法均可灵敏地检测ATP,但通常耗资高,方法复杂,实验操作繁琐,而且难区分ATP的类似物。近些年来,基于核酸适配体(Aptamer)发展起来的传感方法在ATP分析检测中显示出了的巨大潜能也发展了多Usww[iW[iW种结合了纳米材料、石墨稀和酶的适配体传感器用于ATP的检测。但因ATP与其适配体结合的解离常数较高,若不经信号放大,灵敏度不太令人满+意,K。检测金属离子常用的方法为原子吸收光谱法同样适用该方法进斤检测。最近,发展T很多基于有机物识别钟离子的癸光传感器,如冠趟类化合物的神离UWfw]一子英光探针。杨等合成了类非冠酸类的小分子化合物,该化合物能够识+PET一别K,并通过光诱导转移()的过程产生巧光信号增强。也有些基于核酸+-适配体和金纳米颗粒的uesiwiK巧光传感器相继被报道。善 硕±学位论文本章利用滚环扩增技术(RCA)和核酸外切酶III(ExoIII)辅助循环技术,+一种检测ATP和K的双重放大英光传感方法发展了。该方法的原理是基于ATP+和K可W抑制S1核酸酶的活性,从而阻止S1核酸酶水解引发艮CA反应的引物链,使得RCA反应发生,得到可与TaqMan探针互补杂交的RCA产物,在核酸外切酶III水解TaMan探针后,。与此同时q产生增强的焚光信号,RCA产物由’M于其凸出的3端而免遭酶切,继续与新的Taqan探针循环杂交,癸光信号大大+増强,且巧光强度与ATP或K的浓度呈正相关。因此,通过测定癸光值的改变+量便可实现对ATP和K的定量检测。4.2实验部分4.2.1试剂和仪器本章中使用的所有核昔酸链均由上海生工生物工程股份有限公司合成(序列见表4.1)并且都经过HPLC纯化。ATP、王磯酸尿巧(UTP)、H磯酸鸟巧(GTP)、H憐酸胞巧(CTP)均购买于上海生工生物工程股份有限公司。S1核酸酶(100U-1h)从TermoFi化erScient近C公司购买,S1核酸酶的缓冲溶液(20mMNAc冲.g,150mMNaClW及lmMZnS〇4H4.5)用于S1核酸酶的稀释W及酶切反应,核,p酸外切酶III、BstDNA聚合酶(大片段)、E.coliDNA连接酶、脱氧核糖核巧酸混合液(dNTPs)W及BSA均从NewEnglandBiolabsypswich,MA,USA)购买。KCl’NaCl,CaCb,MgCk,HgN〇3,CuS〇4,AgN〇3均为分析纯,且都从上海国药集-lli团化学试剂有限公司购买。所有的试剂均用由MiliporeMiliQ超纯水仪(Billerca,MA,USA)净化的超纯水配制18.2,电阻率大于MQ。■-7000巧光分光光度计man探针的英光检测仪器为F(HitachiJan),Ta,叩q5-激发波长为492nm,巧光发射光谱扫描范围为10600mn1cm的标准石英比色,皿.0nm950V。,激发光和发射光的狭缝宽度均为5,检测电压为表4.1本实验中所使用的DNA序列信息’’一名称序列(53)^DNAGTAGGTTGTAGGAGGAGAATTGGG-CCTACAACCTAC佳锁探针P03AAACCTCGACTGCAAGCTCCGACCTACCCACCACCCAATTCTCCTMan探针-Ta(FP)CGACCT(TAMRA)ACCCFAMq-37- 基于滾环扩増和核酸外切酶山辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研巧4.2.2环形探针的制备5X50mr-将6的杂交缓冲液(1MTisHClH8.0500mMNaCl20mM咕,p,,MgCb),8扣挂锁探针(lOmM)1^及10^11^连接探针(sDNA)混合,并将混°5C0min3h^合液加热至9保持1,然后在内逐步缓慢冷却至室温。接着加入6叫I—ix-E.coli连接酶(1U叫/)、4UnLl〇的连接酶反应缓冲溶液(300mMTrisHCl,-+ipH8.0,40mMMgCl2,10mMDTT,260NAD和500帖mLBSA)^及4阵°°超纯水于16C下反应连接。12h后,将反应液置于65C下20minW灭活连接酶I。然后加入1咕核酸外切酶I(20U叫/)W及1呼核酸外切酶III(100Ui°°Hl/)在37C下反应过夜将单链和双链DNA切除,最后两种酶在90C下灭活°20min。将得到的环形模板储存在4C冰箱待用。+4.2.3ATP和K的检测—+1将不同浓度的ATP或K溶液与浓度为8UmL的S1核酸酶在室温下解育10min,而后加入沁NA(终浓度为400nM)的S1核酶缓冲溶液与不同浓度的S1°°核酸酶在37C下赔育30min,然后于95C下反应5min使酶失去活性W终止酶切反应。4.2.4滚环扩增反应'将上述的酶切反应物与500^1的(11们口5,300nM环形探针1.2UBstDNAt^及-聚合酶混合于10咕^的ThermoPoI缓冲溶液中(20mMTrisHCIH8.810mM,p,°KC-l10mM(NHS〇4〇.l%TritonX100),然后将反应混合物在65C,4)2,下反°80111沾>1应2h后(:热失活2〇^,从而得到RCA产物。,升温至(灭活酶4.2.5核酸外切酶III辅助的循环放大5Man探针x-将xL浓度为l^lM的Ta、5lL10NEB(100mMbisTris|q^缓冲液l-HCmMT1100DTH7.0)及0.02U的核酸外切酶III加入RCA产物中,丙焼,,p°于37C避光反应90min,然后进行巧光检测。4.3结果与讨论4.3.1检测原理+基于ATP和K可抑制S1核酸酶活性的原理,设计出检测运两种物质的双重放大巧光増强传感器,原理如图4.1所示。传感体系中,S1核酸酶可将民CA反应的引物链-tDNA酶切成单个或小片段的脱RCA反应和氧核糖核昔酸,致使后续的核酸外切酶III水解TaqMan探针反应无法进行,此时体系检测不到英光信号。当+体系中存在ATP或Kt-时,S1酶的活性位点被封闭,使DNA保持完整结构,并-38- 硕±学位论文DNA模民CA一条长的与环形板互补杂交进而引发反应得到、含重复序列的单链一DNA.1A)RCAMan探,进行第次信号放大(图4。然后,得到的产物与Taq’M端凹陷的Taan探针,针杂交,ExoIII水解3q释放癸光报导基团,产生巧光信’号。与此同时,3端凸出的RCA产物则免遭酶切,可继续与其它TaqMan探针杂交,循环往复,进行第二次信号放大,得到大大增强的巧光信号(图4.1B)。利+一用两次信号放大,我们设计了种灵敏的ATP和K通用英光传感器。A…NA八八^/circulartemplate「心攻—C》>.S;:;二DNAolmwase1OC:;pyArp*-’ds/NTP若LNoRCAProductBRCAProductk?i对单矣‘:__違違系+图4.1检测ATP和K的双重放大蒙光传感器的设计原理4.3.2传感器的验证+为了考察该传感器对目标物质的响应情况,将ATP和K分别与S1核酸酶赔育后,进行巧光检测。激发波长为492nm时,并未检测到TaqMan探针的巧光,说明体系的背景芙光非常小(图4.2A曲线a)。没有目标物质时,体系中的S1,核酸酶将引发RCA反应的引物链-DNA水解生t成单个或小片段的脱氧核糖核昔酸,因此无法引发RCA反应W得到与TaqMan探针杂交的产物,TaqMan探针上的巧光基闭也不能被ExoIII释放,同样检测不到巧光信号(图4.2A曲线b)。,+当存在ATP或K时,在520nm处检测到焚光发射(巧光基团FAM的特征峰)(图+4Ac)i,,.2曲线d这是表明S1核酸酶的活性被ATP或K抑击j从而保i^^DNA,,不被酶切,民CA反应得W顺利进行,产生的RCA产物与TaqMan探针互补杂交后,ExoIII开始水解TaqMan探针,使巧光基团远离浑灭基团,民CA产物循环放大,得到増强的巧光信号。-39- 基于滚环扩增和校酸外切酶m辅助滴环放大的高灵敏关化生物巧感器研究500011——IrndS8:backgou—-+S1^4000?btDNA*-^d:tDNA巧1+K3000?\I2000.■I0■■■I520540560580600Wavelength(nm)图4.2Taman探针的巧光发射光谱图;体系中所使用的^DNA终巧度为400nM,Sl核酸酶的qU—终浓度为8mL\含有0.02U的ExoIII,ATP和K+的终巧度分别为2mM和10mM4.3.3实验条件的优化+,ATPKS1在该传感器构建中或对核酸酶的抑制作用是实验的关键,因此+ATP或K与S1核酸酶的腮育时间对它们的检测有较大的影响,赔育时间太短,S1核酸酶仍然存有活性,导致传感器的灵敏度下降,甚至出现假阴性信号。所W,+我们对S1核酸酶与ATP、K的解育时间进行了优化。如图4.3和图4.4所示,巧光强度随着时间的増加迅速增强,当时间达到8min时,巧光强度基本上达到稳定平台,不再变化,为了确保S1核酸酶的活性完全被封闭,选择10min作为目标物与S1核酸酶的脾育时间。40003000/I?2000/"1000//03691215Incuba化timewi化ATPmin()图4.3SI核酸酶与ATP脾育时间的优化。误差棒是3次平行实验的标准偏差-40- 硕±学位论文400011**3000〇-4"2000/X"1000//03691215""*IncubatetimewithKmin()+图4.4SI核酸酶与K脾育时间的优化。误差棒是3次平行实验的标准偏差+4.3.4ATP和K的检测分析A2500_202000^—?f1500S,li誦呈EI-、-「I.0111520540560如0600WavelenthnmBg()3000 ̄1Yzl;〇。?2500二i^^^ioooKEfh1500:::=:二造1:\X巧—〇?2520540560580600Wavelenthnmg()4图.5不同浓度ATP(A)和心(B)检测的巧光光谱困。体系中所使用的^DNA终浓度为-400inM,S18UmL核酸酶的终浓度为,含有0.02U的ExoIII-4-1 基于滚环扩増和核酸外切酶III辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研究为了考察该传感器对上述两种物质的响应情况,在已优化好的实验条件下,+我们分别考察了该民CA和ExoIII辅助循环的双重放大英光传感器对ATP和K+的线性检测区间和最低检测浓度,图4.5所示为不同浓度的ATP或K与S1核酸酶赔育后得到的体系茨光变化情况,B可看出,随着目标物浓度的通过图A增大,,英光信号强度逐渐增加,对S1核酸酶的抑制作用越强,,说明目掠物浓度越大更-DNA被免遭酶切多的t,得到的民CA产物也越多,美光信号也越强。图4.6的+B分别为ATP和K的工作曲线图5-200M-A,它们的线性响应范围分别为n0.55,;,mM检测下限分别为0.5nM和2nM,线性相关度分别为0.987和0.990。A2500■含2000^巧。。Sm500-■/1w巧圣ooy-1200l000f|IC笔1000500-.i二300.rULItL..00O.OS0,Q0.100150.20々了?mM[頂《)0.00.51.01.52.0么53.0A了PmM[]()B_巧OQ^Ii^这2000■2600-31罵1500.f曼養三2000吞S/"w§1000-s】[SC1600 ̄1400Xfj:^■00——i.■—■—■—■—Irr500It^2rrlmM[tC]()0I024681012+KmM[]()图+4.6黄光强度与目标物浓度之间的关系。(A)对ATP响应的工作曲线图;(B)对K响应的工作曲线图。误差棒是3次平行实验的标准偏差4.3.5选择性考察+一些其它碱基为了考察本传感器对ATP和K检测的特异选择性,我们选取了+H磯酸和离子分别作为ATP和K的干扰物进行对照实验。结果如图4.7和图4.8-42- 硕±学位论文所示,显示很好的信号响应,而同等的实验条件只有在目标物存在的情况下,才+下,其它的物质巧光信号强度的几乎与背景信号无异。因此,该方法对ATP和K的检测有较好的选择性,其类似物不会带来明显的干扰。巧00;3000.自i2500?■^2000■I1500■ ̄1000H■BlankATPCTPGTPUTP图4.7ATP检测的选择性考察。误差棒是3次平行实验的标准偏差?3000325〇0曲2000I^C1500I11000I^500■*++2+2+2+2++Bac2AlkKCaNa邮HgPbCug+图4.8K检测的选择性考察。误差棒是3次平行实验的标准偏差4.4小结本章构建了一个基于滚环扩增和巧酸外切酶m辅助循环的双重放大巧光传感++平台,,利用ATP和K等物质对S1核酸酶活性的抑制作用实现对ATP和K的检+测。通过ATP或K对S1核酸酶活性的抑制,从而保护RCA反应的引物链不被水解,使民CA反应得进行,并顺利地发生后续的核酸外切酶III辅助巧光信号放大反应。两次恒温放大过程使这种检测方法较为灵敏且无需温控循环,操作简便。+对ATP和K均有较好的检测线性范围和检测下限,同时也具备较好的特异选择性,+可用于ATP和K的定量分析。-43- 基于滚环扩增和核酸外切酶III辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研巧结论本论文将滚环扩增(RCA)、核酸外切酶III(ExoIII)与巧光生物传感方法一相结合,,大量查阅相关文献后构建了类灵敏度高、特异性好的多重放大茨光生物传感平台,实现了对S1核酸酶RNA、、micro小分子和离子的分析检测。一首先,设计了种艮CA和ExoIII辅助循环的双重放大传感器用于S1核酸酶的高灵敏检测。该方法直接将S1核酸酶作用的底物DNA(sDNA)设计为RCA1,反应的引物链,当体系中不存在S核酸酶时沁NA可与RCA反应中的环形模-?板杂交,并在定的反应条件下后动扩增从而产生由无数重复序列串联的民CA产MM’物,得到的RCA产物可与大量Taqan探针杂交,使得Taqan探针的3端变成凹陷状态,进而可W被ExoIII酶切水解,使巧光报导基团离开浑灭基团从而恢复茨光信号’;与此同时,民CA产物则因其3端为凸出状态而免遭酶切,将继续与其它TaqMan探针杂交,循环往复,英光信号大大增强。当存在S1核酸酶时,sDNA,RCAExoHI被其水解成单个或短片段的核昔酸导致反应的引物链缺失,后续的酶切放大反应也无法继续进行,从而无法检测到巧光信号。因此,通过测定英光强度降低情况便可实现S1核酸酶的检测。两次信号放大过程均在恒温下进行,且通过直接利用S1核酸酶的反应底物作为民CA反应的引物链,无需复杂DNA链的设计,,。。此外该方法还应用到了实际样品分析中并且表现优良一其次,构建了种民CA桥连两次ExoIII辅助放大的多重放大巧光传感器用’于microRNA的检测。该方法使用3端凸出且与目标microRNA互补的发夹DNA,microRNA,它将与发夹DNA杂交作为识别靴标元件当目标存在时,从而打开’发夹形成原发夹DNA的端平齐,、目标micro民NA的3端凸出的双链结构在ExoIII的辅助下发生祀标循环放大,同时释放发夹DNA中用来引发RCA反应的引物链,发生民CA反应,得到的艮CA产物与单链TaqMan探针结合,在ExoIII的辅助下,发生民CA产物循环,巧光信号被放大。H次的放大过程使得传感器的检测限可W达到aM级,十分灵敏,且也展现出了较好的选择性。最后,基于RCA和ExoIII辅助循环的双重放大巧光传感平台,利用ATP和++K等物质对S,1核酸酶活性的抑制作用实现对ATP和K的检测。通过ATP或+K对S1核酸酶活性的抑制,从而保护民CA反应的引物链不被水解,使RCA反应得W进行,并顺利地发生后续的核酸外切酶III辅助巧光信号放大反应。两次恒温+放大过程使这种检测方法较为灵敏且无需溫控循环,操作简便。对ATP和K均有较好的检测线性范围和检测下限,同时也具备较好的特异选择性,可用于ATP和+K的定量分析。-44- 硕±学位论文参考文献IClarkLC,LonsCElectrodesstemsforcontinuousmonitorinin[]y,ygcardiovascularsure.AnnalsoftheNewYorkAcademofSciences1962gyy,,-1021:2945()口.生物传感器及其应用.北京:1993]许春向科学出版社,[3]王飞.生物传感器的发展与未来.湖北省环境保护研究所,19934赵常志,孙伟.化学与生物传感器.北京:科学出版社,2012[][5]司:t辉.生物传感器.北京:化学工业出版社,2002,6KreuzerM0S山livanCPravdaMetal.Develomentofanimmunosensorfor[],,,p比ede化打ninationofallerant化odEinbloodsamles.AnalticaChimicagyyUg)py200-Acta14421:4553,,()[7]WangJ.Glucosebiosensors:40yearsofadvancesandchallenges.E-lectroanalysis20011312:983988,,()[8]汤扬华,叶雄英.微型机电系统在医疗中的应用.中国机械工程,2001,12(2):226-231[9]冯东,李雪梅,王丙莲,等.用辣根过氧化物酶生物传感器测定啤酒中的过-氧化氨.酿酒科技20121:3739,,(^[10YamazakiT,MenZ,MosbachK,etal.Anovelamperometricsensorfor]gorganohosphotriesterinsecticidesdekctionemloyincatalticolmerppgypymimickinhoshotriesterasecatalticcent:er.Electrochemistr20016912:gppyy,,()969-972II彭图治..[,沈莲清酶生物传感器测定于类鲜度的研究应用科学学报,1996],-143:358363()[12]董文宾,胡献丽,郑丹,等.生物传感器在水质分析监测中的应用.工业水处理2005253-:1719,,()[13吴蓬兴.浅议化学传感器在化工气体检测中的应用.科技信息,2009,(34);]308-308--[14]WeiY,LiB,Wang义etal.AnanographiteDNAhybridsensorformagnifiedfluorescentdetectionofmercury(II)ionsinaqueoussolution.Analyst,2014,-1397):16181621(15李培进..200245[],张传本生物传感器及其在军事医学中的应用人民军医,,-5:249251()-45- 基于滚环扩增和核酸外切酶III辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研究[16]詹正嵩.美军化学战剂侦检装备研宛现状与发展趋势.人民军医,1997,640-:314316()王民化光学生物传感器的研究进展:王祭樊先平.材料导化2004187,,()-1418张正奇.分析化学.北京;2007[]科学出版社,19ZhuXZhouXXi打D.UltrasensitiveandselectivedetectionofmercurIIin[],,gy()aqueoussolutio打bypolymeraseassistedfluoresce打ceamplificatio打.良iose打sorsandB-ioelectronics2011265:26662669,,()anuFe-20]HuD,HugZZtal.Alabe^Free,uadrulexbasedfunctional[,P,qp-mo-lecularbeaco打LFG4MB)forfluoresce打ceturnondetectionofDNAand(--nuclease.ChemisAEuroeanJournal2011175tryp:16351641,,()----21HeHZMaVPYLeunKHe化1.AlabdfreeGuadrulexbasedswi化hon[],,g,qpfluorescenceassayfortheselectivedetectio打ofATP.A打alyst,2012,137(7):-1538154022RutaJPerrierSRaveletCetal.Noncometitive打uoresce打ceolaization[],,r,ppatamer-basedassaforsmatllmoleculedetection.AnalicalChemiis化2009pyyy,,8-1(17):74687473svanoornma-也rouut23]LoomanEEDlenAMWatJWetal.Hihhscreenin[,,,ggpg-basedfluorescenceowithimmobilizedme化1io打affinitylarizatio打detectio打ap,homogeneousassayforproteinkinases.AssayandDrugDevelopmentTechno-loies200313:445453g,,()口4]TianJN,ZhouLJ,ZhaoYC,etal.Multiplexeddet:ectionoftumormarkerswi化*rrmlticoloruantumdotsbasedon打uoiescenceolarizationimmunoassay.qpTat-lana2012921:7277,,()25MoerkeNJ.FluorescencePolarizationFPAssaysforMonitorin[]()gPet--tpidePro1;einorNucleicAcidProeinBi打din.CurrentProtocolsi打ChemicalgB-iolo09:1gy,20,1115()26FreemanBDBuchma打Ta--aGMcGrathSetal.Temitedireckddetermintor[],,,pyi打corporatio打withfluoresce打cepolarizationdetectionforanalysisofsinglenucleotidepolymorphismsimplicatedinsepsis.TheJournalofMolecularD-iagnostics200244:209215,,()--mo27YuanI^LinWY^henKBetalF民ETbasedsmaUleculefluorescen[].t,,g,robes:ratio打aldesi打a打dbioimanaicationsAccountsoicalpggigppl.fChemesearch-民2013467:14621473,,()-46- 硕±学位论文28BaarBTWangESLinMZetaLImrovinbrihtnessa打dho1:ostabilityof[]j,,,pggpgreenandredfluoresce打tprotei打sforlivecellimagi打gandFRETreporting.-ScientificReorts201660889:112p,,口)San-[29tisavljevicMKri之kovaSAdamVetal.uantumdotsfluorescence],,,Qreso打rransfer-based打a打ose打sorsandheanceenegyttirapplicatio打.技iosensorsandoeeconcs—Biltri201574:562574,,30HYXJneart-WanWaniJYtal.Gold打anoiclebasedcolorimetricand[],g,g,p""-btumo打fluoresce打troeformercurIIio打si打aueoussolutio打.Analticalpy()qyChemtr-isy,2008,80(23):90219028-31GarardCBorhiN.FRETbadmoleculartensionmicrosco.Method2016],ses[ygpy,,94-:334232FenDSonYSh--iWetal.Disti打uishinfolaterecetorositivecellsfrom[],g,g,ggpp--fo-Anlatereceptor打egativecellsusinga打uoresce打ceoffonnanoprobe.alyticalChem—istry20138513:65306535.,,()[33]许潇,李娜,李克安.焚光相关光谱的原理、技术及应用.现代化器,2008,-5145:1()M-34iaiHMaruamaIN.A打alsisofofliandreceU>rinteractio打〇打1:he[]yg,yygpsurfaceoflivingcellsbyfluorescencecorrelationspectroscopy.TheOpenSectroscoJourna-l201041:2831ppy,,()[35]Medi打aMA,SchwilleP.Fluoresce打cecorrelatio打spectroscopyforthedetection^-andstudofsi打lemoleculesinbiolo.Bioessas2002248:758764yggyy,,()[36]HornEFY,Verkma打AS.Analysisofcoupledbimolecularreactio打kineticsandd-iffusionbytwocolor打uorescencecorrelationspectroscopyenhancedresolutionofkineticsbresona打ceenertransfer.BiohsicalJournal2002ygypy,,-83(1):533546[37]HesterkampT,BarkerJ,Dave打portA,etal.Fragmentbaseddrugdiscoveryusingfluoresce打cecorrelatio打sec化oscotech打iues:challenesandsolutions.ppyqgrrenTo-CuticsinMedicinalChemistr2007716:15821591py,,()-mo38MoernerW.Newdirectionsinsinleleculeimaina打danalsis.Proceedin[]gggygof-theNationalAcademofSciences200710431:12巧612602y,,()[39]WangB,ChenY,WuY,etal.Aptamerinducedassemblyof打uorescentntr-ttonoiogendopedcarbo打dotsongoldnanoparticlesforsensiivede化cifAFB-l.BiosensorsandBioelectronics2015783:601610,,()-47- 基于滚环扩增和核酸外切酶m辅助循环放大的高灵敏巧光生物传感器研究[40]Yua打L,LinW,XieY,etal.Singlefluorescentprober的ponds化H202,NO,andH2O2/NOwiththreedifferentsetsof幻uorescencesig打als.Journaloftheercanemaoce-iCh:AmiclSit2011134213051315y,,()[41]唐尧基,樊静,冯素玲环境水样中痕量脱的焚光分析.分析实验室,2008,-221:4850()42Che打TTTianXLiuCLetal.Fluorescenceactivatio打imainofCtochrome[],,,ggycreleasedfrommitochondriausingaptamericnanosensor.Journaloftheer-icanChemicalSociet20151372:982989Amy,,()43SilversWC,PrasaiB,BurkDHetal.Profluoroenicreductasesubstratefor[],graidselectiveandsensitivevisualizationanddetectionofhumancancercells,p,也atoverexressNQOl.Journalof化eAmericanChemicalSociety20131351:p,,()309-314AdPaasens-44egokeOKateTrkEY.A打ultritivealloednearinfrared[],,y山打ternaruantumdot-morobeforqyqlecularbeaconnanodianosticbiogpuenzav-inflirusRNA.Biosensors&Bioelectronics201680:483490,,45FireAXuS.艮olinrelicatio打ofshortDNAcircles.Proceedinsofl:he[],Qgpga-NationlAcademyofSciences19959210:46414645,,()46BlancoLBernadAL&zaroJMetal.Hihle班cie打tDNAsn化esisb化e[],,y,gyyphagephi29DNApolymerase.SymmetricalmodeofDNAreplicatio打.Journalm-ofBiologicalCheistry198926415:89358940,,()[47]AliMM,LiF,ZhangZ,etal.民oilingcircleamplification:aversatiletoolforchemicalbiology,materialsscienceandmedicine.ChemicalSociety民eviews,-20144310:33243341,()48NilssonMMalmgre打HSamio化kiM,etal.Padlockrobes:circularizin[],,pgolionucleotidesforlocalizedDNAde化ction.Science,19942655181;g,()2085-2088[49]彭涛,廖东江,莫自耀.核酸等温扩增技术及其应用.北京;科学出版社,2009ah--[50DlFOlsonMV.Circle化circleamlificationforreciseandse打sitiveDNA],ppanalsis.ProceedinsoftheNationalAcademofScience200410113:ygy,,()4548-4553OranssonJe民ea-[51GKNonR乂tl?民aidIdendficatio打ofBioMolecules],,gpAliedforDe化ctio打ofBiosecurityAe打tsUsin民olli打CircleAmlification.ppgggpPlosOne,2012,7(2):e31068[52SimisemWBLindbergDRBooreJL.民oilincircleamlificatio打ofmetazoan],,gp-48- 硕±学位论文mitochondrialenomes.MolecularPhloeneticsandEvolution2006392;gyg,,()562-%753iEBn打anCetalWangMaherre.DNAamlificationmethodtolerantto[]G,,,psam-lederadation.GenomeResearch20031411:209216pg,,()54ChristianATPatteeMSAttixCMetal.DetectionofDNAointmutations[],,,pandmRNAexpressio打levelsbyrollingcircleampli打cationinindividualcells.Prons-ceedigoftheNationalAcademyofSciences2001825:1423814243,,〇)erMeetaeconofanensusan-55AktFiMGrimmSl.D別titiinro化iDNA[],,,ggpma*chimeradevelopedbyenzyticcovalentbondingwithphiXgeneA.Anacaems-ltilChitr20128411:50405046yy,,()56Ta打LiuYAliMMetal.Colorimetricandultrase打sitivebioassabasedon[]gL,,,yadua^ampli打cationsystemusi打gaptamerandDNAzyme.AnalyticalChemislxy,-20128411:47114717,()etahoncano打cae-asmboftuncna57ZhuGHu民ZhaoZNilslfselmuliftiolDNA[],,,ynanoflowersforbiomedicalapplications.JournaloftheAmericanChemicalSoc-iet201313544:1643816445y,,()58HuRZhanZhaoZ,etaLDNANanoflowersforMultilexedCellular[],g义pImainandTraceableTare化dDruDeliver.AnewandteChemie2014ggggyg,,5323-(:593159%)9WeiXXueXLiTetal.Ultrase打sitivea虹dselectivecolorimetricDNA口],,,detectionbnickinendonucleaseassiskdnanoparticleamli打cation.ygp,sA打ewandteChem-gie19894837:68496852,,()60HouTTWanuT,etal.SensitivedetectionofT4olynucleotidekinase[],g义Lpa-activhbasedoncouledexonuclesereactionandnickinenzyraeassis化dypgfluorescencesig打alamplificatio打.A打alyticala打dbioanalyticalchemistry,2014,-40612:29432948()[61]XueL,ZhouX,XingD.Sensitiveandhomogeneousprcrteind別ectionbasedonaret-eredamerharnswtgtriggaptipiitchandnickinenzymeassistedgf-luorescencesignalamplification.AnalticalChemistr,2012,84(8):35073513yy62ZhaoJLiuTFanetal.AnewstrateforaDNAassabasedona[],,Q,gyy*-Chemtargettriggeredisothermalexponentialdegradationieaction.icalca-Communitions,20114718:52625624,()earasensveamer-63TangDPTanJLiQFtliexed.Ultititabasedmultl[],g,p,pecochemcaeect打snusesnawcatacletrildtiobycoulinditiihablilhsithltipggggyAna-recclingofDNaseI.lyticalChemistry20118319:72557259y,,()-49- 基于滚环扩增和核酸外切酶III辅助循环放大的高灵敏焚光生物传感器研究民KombA-64ichardsonCCer.ADeoxribonucleicacidhoshataseexo打udease[],gyppfromEscherichiacoli.iurificationoftheenzymeandcharacterizationofthepenzymeandphosphataseactivity.JournalofBiologicalChemistry,1964,23923942-250:2()65HenikoffS.Unidirectionaldiestionwi化exonucleaseIIIcreatestareted[]ggbreakoe-intsforDNAseuencin.Gen198428351359,pqg,口),66Doua打JAMacHaeD,GrahamDetahDMAdetectio打usi打e打zmaticsi打al[]g,,gygroductancaons-iondSE民S.ChemicalCommuniti20114716:46494651p,,()67ZhaoXHJeta-MaWuXXl.Grahe打eoxidebasedbiosensorforsensitive[],Q,,pftbasedo打-luorescencedeectionofDNAexonucleaseinaidedsignalamcaonnacaaca-:70plifiti.AlytiChimicAt,2012,727(10)6768Xua打osveso-FLuXHinI,Ultrasensitilutio打Phaseelectrochemicalmolecular[],,gbeacon-basedDNAdeecttionwithsignalamplificationbexonucleaseIIIyass-is:eeecalChemisrtdtartrclin.Analticl20128412:52165220gygyy,,()eberMe-ofsucure-sec69LiR.ThF巨N1familtrtificnucleasesineukarotic[]ypyrewcomb-DNAlicationinationandreair.Bioesss1997193:233240p,p巧,,()70WestSC.Molecularviewsofrecombi打ationroteinsandtheircontrol.Nature[]pMo-民eviewslecularCellBiology200346:435445.,,()[71]MartiTMFleckO.DNAwairnucleases.Cellular足MolecularLifeSciences,ps-Cm:l2004613336354,,()72NorberP技erstromTLilevistJA.Ge打otypi打gofcli打icalheressimlex[]g,g,jqppvirustype1isolatesbyuseofrestrictionenzymes.JournalofClinical2006-Microbiolo4412:45114514gy,,()73Gr-[]indleyNDFWhi1:eso打KL,民icePA.Mechanismsofsitesecific,precomb-ination.AnnualReviewofBiochemistr200675:567605y,,[74]HalfordSE,GoodallAJ.ModesofDNAcleavageby化eEcoRVrestrictionendonuc-lease.Biochemistry19882727:17711777,,()*75民osen化a-lALLackSA.NucleasedetectioninSDSolacilamideel[],spyyge-lectrophoresis.AnalticalBiochemistry1977801):7690y,,([76]BickerG,Sch泣ferS,OttersenOP,etal.Inh化itionofdeoxyribonucleasesbyphosphorothioategroupsinoligodeoxynbonucleotides.NucleicAcids民esearch,-19881624:1169111704,()[77]MclaughlinLW,BenselerF,GraeserE,etal.Effectsoffunctionalgroupcha打gesi打化eEco民Irecog打itio打siteonthecleavagereactioncatalyzedbytheendonuc-lease.Biochemistry198726(23):72387245.,,-50- 硕±学位论文-78JeltschAFritzAAlvesJetal.AFastandAccurateEnzmeLinked[],,,yImmunosorbentAssayfortheDeterminationoftheDNACleavageActivityofes-RtrictionEndonucleases.AnalyticalBiochemistr19932132:234240y,,()[79HiramatsuKMiuraHKameiSetal.Develomentofase打sitivea打daccurate],,,penze-linkedimmunosorbenta巧ay目LISAs化mthatcanrelaceHPLCym()sypN-analysisforthedeterminationofNl12diacetlsermineinhumanurine.,yp-JournalofBiochemistry19981241:231236.,,()80SambrookJFritschEFManiatisT.MolecularCloning:ALaboratoryManual[],,,2nded.ColdSpringHarborLaboratorress:ColdSrinHarborNewYorkyPpg,,198981Di打JWei.Po化打tiometricsensinof打ucleaseactivitiesandoxidative[]g,Qg-damaeofs-tndcaseginlesraedDNAusingapolytio打nsitivemembranege-lectrode.Biosensors皮Bioelectronics20134713:559565,,()[82]HillierSC,FrostCG,JenkinsATA,etal.A打elec杜ochemicalstudyofmae2004-enzticolio打ucleotidedistio打.Bioelectrochemistr63:307310yggy,,(^)^83MZhanDZhanGe-Wa打tal.Fluorescence1:urno打detectionofDNAand[]g,g,g,-edo打a-labelfreefluorescencenucleaseassabastheggregatio打inducedyem-issionofsilole.AnalticalChemistry20088016:64436448y,,()--84YanXPuFRe打-Jetal.DNAtemlatedensembleforlabelfreeandrealtime]g,,[,p-matfluorescencetur打o打detectionofe打zyic/oxidativecleavaeofgsm--glestira打dedDNA.ChemicalCommunications20114728:81338135,,()85ShenZhouNGuoMetal.Simleandraidcolorimetricsensinof[]Q,,,ppgma-enzyticcleavageandoxidativedamageofsinglestrandedDNAwithunmodi巧edldnanoarticlesasindicator.ChemicalCommunications2009gop,,88-:929931()[86]Cao民,LiB.Asimpleandse打sitivemethodforvisualde化ctionofhepari打usingos-pitivelychargedgoldnanoparticlesascolorimetricprobes.ChemicalCommun-ications20114710):28652867,,(D—87ZhonLPinPHZhaoHal.CarbonnanotubeDNAhbridusedfor[]g,g,义叫yactivitymonitoringandmhibiU)rscreeningofnuclease.AnalyticaChimicaActa,-20117061:171175,()88PenYe-waedca打打anoubend打to,LiXRe打Ietal.Sinlllrbotsbiihuman[]g,,gg-enof化lomericimotifDNA:si打ifica打taccelratioSInucleasecleavaerate.ggChem-icalCommunications2007,48;51765178,-5N 基于滚环扩增和核酸外切酶III辅助循环放大的高灵敏萊光生物传感器研究rac-[89HeY.Intetionofsi打lestra打dedDNAwithrapheneoxide:fluorescence]ggstudya打ditsapplicationforSI打ucleasedetectio打.民scAdva打ces,2014,4(35):-1829418300ea--90Hu民LiuY民KonRMtl.DoublestrandDNAt;emlatedformationof[],,g,p*nucopper打anoaiticlesas打uorescentprobeforlabelfreecleasepeec打se打sorseeconcs-enzttio:ymed.Bio足Bioltri20134243135,,()9sransfe-a1XiaoYShuFWonKYetal.ForsterReo打anceE打errBsed[],,g,gyT良iosensi打gPlatformwithUltrasmallSilverNanoclustersasEnergyAcceptors.A打a-lticalChemistr20138518:84938497,,;yy()*-92inHeXinTetal.Polthmi打e1:emlatedfluoiescentcoer[]QgZ,,Qg,y(y)pppnanoparticlesforultrasensitivelabe^freenucleaseassayanditsinhibitorsA-nin^screeg.nal)ticalChemistry20138524:1213812143,,()93义Tian义J.KonZ.M.ZhuT.T.Chenand义ChuTala打ta2015131116.[],g,,,,,,94HaradaFD地化erJE.SecificcleavaeoftRNAb打ucleaseSI.Nucleic[],gpgy-Acids艮esear化197526:865871,,()[95]ButourJL,MazardAM,VieussensC,etal.Kineticstudiesofthehydrolysisof--lati打umDNAcomlexesbynucleaseSI.Chemicobioloicalinteractions1990ppg,,-7323:195205()96OuLJWanHBChu义TermonofmaU-ecu-inalr別ectismollelinkedDNA[],g,pforsensitivefluorescencede;ectio打ofroteinbindinbasedo打nucleicacid1pgcaonst20-amna:plifiti.Aly,131382372187223,()-97ZhouZZhuJ^hane-tahGuadrulexbasedfluorescentassaofSI[],,,gLqpy+caand-nuleseactivitK.AnalticalChemistr2013854:24312435y,yy,()98SawersCLTecanc巧-.hbiomarkerroblem.Nature20084527187:548552[]y,p,()Bt--99FaadkazanHitarNNaarMeal.Circulatinm化150andm化342in[]yy,,j,gplasmaare打ovelpote打tialbiomarkersforacutemyeloi过leukemia.JournalofTransaec-lationlMdiine2013111:110,,()100A打drea乂TylerJ.Micro民NAsandca打cer:shoi:tRNAsoalonwEi.Cell[]ggy,20094-136:586591,()101民ossiJ.NewHoeforaMicroRNATheraforLiverCane化Cell,2009[]ppy,-1376:990992()-[102]JohnsonSMHeleGJaclnS,etal.RASisreulatedb1;helet7micro民NA,g,ygyfam-il.Cell20051205:63647,5y,()-巧- 硕±学位论文[103JianWanYHaoYetal.miR2Disease:amanuallcurateddatabasefor]gQ,g,,ymicroRNAd巧egulationinhuma打disease.NucleicAcidsResearch,2008,37:D98-D104-104Aurora巨KISlackFJ.O打comirsmicroRNAswitharoleincancer.Nature[],Rev-iewsCancer200664:259269,,()[105]HeL,ThomsonJM,HemaimMT,etal.Amicro民NApolycistro打asapotentialhumanoncoenea2005-ture4357043:828833g.N,,()106TricoliJJacobsonJW.MicroRNA:PotentialforCane巧DetectionDianosis[]乂,g,and-55Prognosis.CancerResearch20076710:455345,,()107RanBMRoblesAIHarrisCC.RanBMRoblesAIHarrisCCGenetic[]y,,,y,variationi打microRNAnetworks:theimplicatio打sforca打cerresearch.Nature民ev-iewsCancer2010106:389402,,()108MitchellPSParkinRKKrohEMetal.CirculatinmicroRNAsasstable[],,,gb-loodbasedmarkersforcancerdetection.ProceedinsoftheNatio打alAcademygof-Sciences200810530:1051310518,,()109GaoYDei打ho民A巨mstMetal..Ga打cerresearch;astrese打ta打dfuture[,]p,,p,pNa-ture民eviewsCancer20111110:749754,,()110CalinGACroceCM.MicroRNAsinaturesinhumancancers.NatureReviews[,]gCancer6-2006:88661157,,()[111CissellKAShres1:haSDeoSK.MicroRNADetection:Challenesfort;he],g,ca-AnalytilChemistAnalyticalChemistry7913:47544761,2007,()aos-u[112Li打ta打aM民auhut艮LendeckelWetal.Identificatio打of打ovele打es]gQ,g,,cod-ingforsmallexpressedRNAs.Science2001294543:853858,,口)11;3Evaur&nJHaveldaZ.MicroRNAdetectionbnorthernblottinusin[]乂Bgy,ygg-lockednucleicacidrobesureocols:96.NatPrto2008321901p,(,)nwonwo-emeraurehridizaionformicrorradeecion[114]JeogMLYonJ.Ttptybtaytt,goflabe^freemicroRNAswithattomoledetectionandsuperiorspecificity.ewand化emaonan-AnChem:iIiUetilEditio201150521248712490g,,()115Thomso打JMParkerJ,PerouCM,etahAcustommicroarralatformfor[],ypanaA-lysisofmicro民Ngeneexpression.NatureMe化ods,2004,1(1):4753[116]TomasB,WenZ,QuaidM,etal.Probingmicro民NAswi化microarrays:tissuesec-ificitandfunctio打alinference.RnaaPublicationofthe民naSociet2004pyy,,-1011):18131819(Che打A-Czo打roomeretalRealimeuandficatio打fmicroRNAs[117],RidD,BAJ.to,qbsem--ytloopRTPCR.NucleicAcids民esearch20053320:el79,,()-53- 基于滚环扩增和核酸外切酶in辅助循环放大的高灵敏焚光生物传感器研究Wan-118LiJYaoBHuanHZetal?民ealTimeolmerasechai打reaction[],,,g,gpymt-icroRNAdeleionbased0打e打zymaticst:emloorobesliation.AnalyticalppgChem-istr20098113:54465451y,,()mondCK-e119民a民obertsBSGarrettEnelePtal.Simleuantitative[],,y,gp,qr-tpimerex1;ensionPC民assayfordirectmoniorinofmicroRNAsandgshort--inter托rinRNAs.RNA20051111:17371744g,,()[120]Zha打gJ,LiZ,WuH,etal.Ultrase打sitivequa打tificatio打ofmaturemicroRJ<rAsbreal-ytimePCRbasedonliationofaribonucleotidemodifiedDNArobe.gpChem465-icalCommimications20114733:99467,,()121XuFDonCXieCetal.民etractio打:Ultrahihlse打sitivehomeneous[],o,g,gygdeleA--tionofDNAandmicroRNbyusi打si打glesilver打anoarticlecountin.gpgChem-istr201016:10101016y,,口)[122]TuY,WuP,ZhangH,etal.Fluorescencequenchingofgoldnanoparticles-interatinwithaco打formatio打swikhedhairinolionucleotiderobeforggpgp20124887-microRNAdetection.ChemicalCommunications:1071810720,,()DJuHt--t123onHLeiJetal.Tarecellsecificdeliverimai打a打ddeection[]g,,,,,gpyggofintracellularmicroRNAwithamultifunctionalS打〇2nanoprobe.Angewanci1:eChem-ieIn化mationalEdition,20125119:46076012,()Y-124WanZhenD,TanQetal.Nanoorebaseddetectio打ofcirculatin[]g,g,pgmicroRNAsinlungcancerpatie打ts.NatureNanobchnology,2011,6(10):668-674-125CissellKARahimiShresthaSetal.Bioluminesce打ceBasedDetectionof[],,乂MicroRNAmni21inBreastCancerCells.AnalticalChemistr2008807:,yy,,()23-192325126AllawiHTD組比erJEOlsonSetal.uantiationofmicroRNAsusina[],g,,Qtg2004107-modifiedinvaderassa.RNA:11531161y,,()--127HartiJSGruneINaafiShoushtariSHetal.SeuenceSecificDeectionof[]g,t,j,qpMicroRNAsbySigna^Amplifyi打g民化ozymes.JournaloftheAmerica打Chem-icalSociet20041263:722723y,,()[128]Hacke打bergM,SturmM,LangenbergerD,etal.mi民analyzer:amicroRNAde化ct-ionandanalsistoolfornexteneratio打seuenci打experiments.NucleicygqgAc-idsResearch,2009372:6876,()129BiSZhanJHaoSetal.Exone打tialamlificatio打forchemiluminescence[],g,,ppresonanceenergytransferdetectionofmicroRNAinrealsamplesbasedona-54- 硕±学位论文cross-caa-tlyststranddisplacementnetwork.AnalyticalChemistry20108310:,,()3696-3702GSens-130WangZhanC.itiveDetectionofMicroRNAswi化HairpinProbeBased[],gCircularExponentialAmpli打cationAssay.A打alyticalChemistry,2012,84(16):7037-7042enr-131FanYChXTiADetal.DetectionofmicroRNAsusintaretuided[],,gg,gggformationofCO打ductingpolymerna打owiresin打anogaps.Journalof化eecanem-AmriChicalSociet200712917:54375443y,,()[132]ZhangY,LiZ,ChengY.Amplifiedfluorescencedeterminatio打ofmicroRNAsinhomoeneoussolutionwithcationicconugatedolymers.ChemicalgjpCommun-ications20084848:65796581,,()133ZhanY,LiZ,ChenYetal.Colorimetricd別ectionofmicroRNAandRNaseH[]gg,activitinhomogeneoussolutio打withcationicolythiohenederivative.yppChemca200972-ilCommunications2222:313174,,()134Che打YZhanXLiDr.Z;etal.Hihlsensitivedet:erminationofmicro民NA[]g,g,,gy-ust-ingtarerimedandbranchedrolli打circleamlification.Angewa打dtegp呂pChem—ieInbmationalEdition20094818:33183322,,()135LiuHLiLDuanLetal.Hihsecifica打dultrase打sitiveisothermaldetection[],,,gpofm-icroRNAbypadlockprobebasedexonentialrolli打gcircleamlification.ppAna1-lticalChemistr2013856:79417947yy,,()-136XuFShiHHeXetal.ConcatemericdsDNAtemlatedcoer打a打oarticles[],,,ppppstrategywithimrovedsensitivityandstabilitybasedonrollingcirclep化licationanditsalicationi打microRNAdetection.AnalyticalChemistrpppy,20-148614:69766982,()137Jo打struSPKochJ,KemsJ.Amicro氏NAdetectio打sstembasedo打adlock[]p,jyprobesro-andllincircleamlificatio打.反打aaPublicationofthe民打aSocietpgpy,29-20061:1巧167,()-13Zhou乂HuanGaoetal.AdumbbeUrobemediatedrollincircle別,J[gQ,pgamplificationstra化gyforhighlysensitivemicroRNAdetection.NucleicAcidsResearch,2010,38(15):el56ent--139WXuYMaoXeal.DNAmeBased民ollinCircleAmHficationDNA[]乂,,巧gpMachineforUltrasensitiveAnalysisofMicroRNAi打DrosophilaLarva-Ana-tcaemtr心ilChisy,20128418:76647669,()-55- 基于滚环扩增和核酸外切酶阻辅助循环放大的髙灵敏焚光生物传感器研究[140]ChainSCDolePS.Ultrasensitivemultilexedmicro民NAuantification0打p,ypqencodedgelmicroarticlesusinrollingcircleamplification.AnalyticalpgChem-istry20118318:71797185,,()t[141]XueQLv乂HuiC,eal.ADNAna打omachinebasedonrollincircle,g--am-pli打cationbridgedtwostageexo打ucleaseinassistedrecycli打gstrategfory--labd&eemultiamli巧edbiosensinof打ucleicacid.AnalyticaChimicaActapg,20-15856:103109,142SazaniPLLa打aide民SzostakJW.Asmallatamerwithstro打andsecific[],,pgprecognitionof化etriphosphateofATP.JournaloftheAmericanChemicalSoc-iet200412627:83708371y,,()[143]杨嘗,鲍金欣,刘绍瑣.高选择性癸光传感器的合成及其钟离子识别.中国化学会学术年会.2014144]TatsumiT,ShiraishiJ,KeiraN,etal.IntracellularATPisrequiredfor[mitochondrialapoptoticpathwaysinisolatedhypoxicratcardiacmyocyks.Card巧-iovascularresearch20032:428440,,()145LiuJMYa打XRCometitiveatamerbioassaforselectivede化ctio打of[],ppyade打osinetriphosphatebasedonme^^pairedmolecularCO打formationalswitchand幻uoresce打toldnanoclusters.BiosensorsandBioeleclrcmics2012361:g,,()-135141MorozLLn-146GruenhagenJALovellPetal.MonitorirealtimereleaseofATP[],,,gfromthemolluscancentralnervoussys化m.Journalofneuroscie打cemethods,9-2004132:145152,()a-147SzewczkAP化uaS.Adenosi打e5Mrihoshate:ani打tracellularmetabolic[]y,pper-messen.BiochimicaetBiohysicaActa良8八81〇6116巧61:1〇5199813653:gp(),,()333-353148BumstockG.Puri打ericsi打alii打:Itsu打oularbegi打打ingitsaccets打cea打d[]gggpp,ptsexctntessasewwsaiiigfuure.BioyNs&民evieinMolecularCellulr足eve-DlopmentalBiology2012343:218225,,()149IdzkoM,FerrariDEltzschiHIC.Nucleotidesi打alii打gdurininflammation.[],ggga-Nture20145097500:310317,,()50Mot-ATP1GruenhaenJALovellProzLL^etal.Mo打iorinrealtimereleaseof[]g,,,gfromthemollusca打central打ervoussys化m.Journalof打eurosciencemethods,2004-1392:145152,()+2+151AnnunziatoL,PinataroGDi民e打zoG.PharmacoloofbrainNa/Ca[]g,gyexchanger:frommolecularbiologytotheraeuticersectives.Pharmacoloicalpppg-56- 硕±学位论文-rev:iews2004564633654,,()[152]PrzedboirskiSVilaM.MPTP:areviewofitsmechanismsof打eurot:oxick.,ycaeuroscenceesearch-ClinilNiR200116:407418,,()ea-mo153MaGYa打又Wa打Ktl.A打ovelki打asebasedATPassausi打lecular[],y,g,ggeaconca-b.AnalytilBiochemistry3721;131133,2008,()154CallanJFMulrooneRC,KamilaS.LuminescentdetectionofATPinaueous[],yqso-lutionusinositivelycharedCdSeZnSquantumdots.JournalofgpgFnc2008-115711luorescee186:16,,()[155]Va打crae打enbroeck民,WebbM氏.Afluorescent,reage打tlessbiose打sorforATP,-sehemcabasedonmalonylcoenzymeAsy打化eta.AcsCilBiology20151011二,,()2650-2657156WileJS,Kuch化hotlaJShaUerCCetal‘Potassiumutakeandreleaseb[]y,,pyaeetsood-humanb:loodltl.Bl197648185197p,,口)157MirTAAkhtarMH,GurudattNGetal.A打amerometricna打obiose打sorfor[],,p+-theselectivedetectionofKinduceddoaminereleased行omlivingcells.pB-iosensors&Bioelectronics201568015:421428,,口)158Khlnt化vaSVBazelYRVishn化inABetal.Me化odsfor化edet:ermination[]y,,,ofadenosinetriphosphateandot:heradeninenucleotides.JournalofAnalyticalChem-istr2009647:657673,y,()enAscoeaucoeeneraes-ma[159]KnedyHJPouliE,AinwEKtl.GlsGtSublas,,p-MembraneATPMicrodomainsi打SingleIsletPCells.JournalofBioloicalgtr274-Chemis1999274;1328113291y,,()160之ra打ovGriorVPalaciosMa打uelAA打ze打bacherPavel,nationaldesi打of[]yygy,,g-a打uore打ce-化sceturnonsensorarrayforphosha化si打bloodserum.Angewa打dpCh-emieIn化rnationalEdition2007,4641:78497852,()Aer-161WanJJianZhouCetal.化mbasedATPasisausi打aluminescent[]g,g乂,pyg-lihtswitchincomlex.AnalticalChemistry,200577(11:35423546ggpy,)16;2YYLiuBreentdeecionofbasedonsinalinWanWan.Fluo%ttATPDNA[]g,g,ggatamerachedananoarcesanoechnoo-attsilictil.Ntl20081941:299304pgy,p,()WanL-[163JWaniuXetal.AGoldNanoarticleBasedA化merTaret]g,gL,ppgBeadoucedaas-indi打民tforATPAssa.AdvanMteril20071922:39433946y,g,()shef--164KaiKheyrabadiLMehardiMA.Atamerconuatedsilvernanoarticles[],巧pjgpforelectrochemicalde化ctionofadenosinetrihoshate.Biosensorsandpp-目ioelectro打ics2012371:9498,,()-57- 基于滾环扩増巧核酸外切酶m辅助循环放大的髙灵敏巧光生物传感器研究[165]WangY,LiZ,HuD,etal.Aptamer/grapheneoxidenanocomplexforinsitumolecularrobinginlivingcells.JournaloftheAmericanChemicalSocietyp,20-1013227:%749276,()e-166MaCTanZWanKtal.AnovelsensitiveandselectiveliationbasedATP[],g,g,g-assayusinamolecularbeacon.Analst201313810:30133017gy,,()167LinSChenCLinMetal.Acooerativeeffectofbifunctionalized[],,,pnanoparticleso打recognition:sensingalkaliionsbycrow打a打dcarboxylatemo-ietiesinaueousmedia.AnalticalChemistr20057715:48214828qyy,,()168]高淑丽,徐慧,鞠猜,等.基于焚光探针唾煙撥与核酸适体构象变化的钟离子[-检测.分析测试学报2011302:115120,,()[169]吕菊波,徐平平,高淑丽,等.基于核酸适体构象变化的巧光钟离子检测.化-学通报:印刷版2013762:163166,,()170]毕国明,高淑丽徐平平,等.基于纳米金超巧灭效应的光学押离子检测.环[,20-境化学1531:14481449,,巧)-58- 硕击学位论文附录A攻读学位期间发表的学术论文*---1ChenLiweiLiuXianJuanKonJinYuan民uinYuandXiaChu.A[],gg,g,Qdua-lamphficatio打fluorescentsensingplatformforultrasensitiveassayof打uc—leaseandATPbasedo打rolli打gcirclerelicationa打dexo打ucleaseIIIaidedprecUn20-.RscAdvances1592:^055^061.巧g,,5()*--J[2]TingTingChenXueTia打ChenLiweiLiu,iaGe,XiaChuandYinfuLi.,,gFluoresce打ceActivationImagingofGytochromecReleasedfromMitocho打driaUsingAptamericNanosensor.JournaloftheAmericanChemicalSociety,2015,-137(2:982989.)3Yuan-Wu--JinCe打YaoKonXia打JuanShua打ChenLiweiLiu民uinYu[],g,,gg,g,Q*--ModandXiaChu.Mn02Na打osheetifiedUpconversionNanosys化mfbrSe打s-AcsitiveTurn0打Fluoresce打ceDetectionofH202andGlucosei打Blood.A-liedMaterials&Interfaces2015719:1054810555.,pp,()-59- 基于滚环扩增和核酸外切酶m辅助循环放大的島灵敏巧光生物传感器研巧致谢时光甚存一,岁月如梭,H年的硕±研巧生生活即将接近尾声。回首走过的千多个日子,感慨良多。初入湖南大学时的憧憬,刚进实验室的激动,埋头哨文一献的专注....,认真实验时的充实,遇到挫折时的迷茫..这切都历历在目。这H年是我成长的H年,体会了现实与理想之间的落差后,仍然勇敢地面对生活,热爱生活"",不再畏惧未来任何未知的挑战;这H年是我收获的三年,在如堕烟海""的论文和层出不穷的实验状况中,学会了透过现象看本质,抓取主要矛盾,分析问题和解决问题的能力得到了提升这H年更是我眷恋的H年,遇到了了美;好的爱情和友情一,经历了不样的生活,体会了人生的精彩纷呈。在硕±论文收笔之际!,我要感谢在我这H年研究生求学生涯中所有给进我帮助的人首先我要特别感谢我的导师楚霞教授。楚老师在科研和学术方面给了我悉也一丝不苟的工作作风的指导。她、严谨求实的治学态度W及坚初忘我的探索钻研精神!,都将使我终身受益。在此,谨向楚霞老师表达我最由衷的敬意特别感谢俞汝勤院±和沈国励教授,两位先生知识渊博、治学严谨、为人谦和、道德高尚,百忙之余仍不綴读书,不断探求,,;为人师表传道授业是我终生学习的榜样。感谢本小组的各位老师:蒋健巧教授、吴海龙教授、吴朝阳教授、宦双燕教授、陈增萍教授和周敬良、吴战等老师等,谢谢你们在我研究生学习中给我无私地指导和帮助!感谢实验室的博±陈婷婷、易姿、孔样娟、吴双、岑瑶、汤俊,潘青山,硕±李小艳、吴燕梅、乔海颖、田雪、洪美试、朱子貌、黄丽狡、韩慧霞、李丽娟、阳媛、胡超、易锦涛、李丽、赵艳艳、邓文婿等同学让我愉快地度过了H年的实验室学习时光!,感谢你们给我的帮助感谢亲爱的室友汲存满、袁静和李中文同学,在我失意时给我鼓励,在我失一落时给我支持!,我们起走过了H年的风风雨雨,你们美好了我的回忆特别感谢我的家人,谢谢父母的养育和栽培,谢谢你们无条件地支持和鼓励,谢谢你们的包容与关爱!,你们永远都是我最坚强的后盾和最温馨的港湾最后,再次感谢所有关也和帮助过我的老师、同学和朋友们,谢谢你们也祝福你们!刘陈力为2016年5月于湖南大学-60-

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