基于分子信標的DNA自組裝模型研究

摘 要：分子信標操作簡單且不必與未反應的探針分離即可進行實時檢測，將分子信標與自組裝結合，將為DNA計算研究提供新的思路及方法。本文介紹了基于分子信標的DNA自組裝模型的算法思想，闡明了分子信標設計要點，描述了生物實現步驟，并對如何提高分子信標的檢測準確性做了展望。

關鍵詞：分子信標 自組裝 DNA計算

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）05（a）-0115-02

Model Study of Self Assembled Molecular Beaeon Based on DNA

Zhang Wenyi Zhang Zhe Li Nan

（Anhui University of Science and Technolgy，AnhuiHuainan，232001 China）

Abstrat：Molecular beacon owns simple operation and can do real-time detection without separate the unreacted probes. The combination of molecular beacon and self-assembly will provide a new and effective method of studying DNA computing.This article introduces the algorithm ideas of DNA self-assembled model based on molecular beacon，clarifies molecular beacon design points，describes the biological implementation steps and do prospect of how to improve the detection accuracy of molecular beacons.

Key Words：Molecular Beacon；Self-Assembly；DNA Computing

自20世紀80年代中期開始并已完成的人類基因組計劃為理解所有生命活動的分子機制奠定了基礎。其中最早出現的是與DNA相關的基因組學，它是一門解碼生命所有信息的新的前沿科學。基因是細胞和個體遺傳信息貯存和傳遞的基本單位，遺傳信息的載體是以DNA和RNA兩大類核苷酸為基本組成單位的核酸。生命科學研究需要能夠高靈敏度、高選擇性地定量研究基因組和蛋白組的信息，而研究這些的基礎是對核酸的研究檢測。

核酸的基本組成單位為核苷酸，核苷酸間的差異主要是堿基不同，因此核苷酸序列可以用堿基序列表示。1953年，J.Watson和F.Crick發表了DNA雙螺旋結構模型的論文[1]，這一發現既是分子生物學發展的里程碑，又是核酸分子探針的理論基礎。分子信標作為一種新型的熒光探針，以特異性強、靈敏度高、操作簡單、可對核酸進行實時定量測定、甚至可用于活體分析的特點在生物、醫學等領域得到了廣泛的應用和發展。

1 核酸雜交原理與分子信標

1.1 核酸雜交原理

DNA的變性與復性是核酸分子雜交的原理。在某些理化因素的作用下如溫度、pH、離子強度等，DNA雙鏈互補堿基對間的氫鍵斷裂，使得DNA雙螺旋結構成為單鏈的現象即為變性。DNA變性不改變它的核苷酸序列，只改變其二級結構。實驗室最常用的方法之一是加熱。DNA變性從開始解鏈到完全解鏈，紫外光吸收值達到最大值的50%時的溫度稱為DNA的解鏈溫度。變性DNA在適當條件下，兩條互補鏈重新配對恢復天然雙螺旋構象的現象稱為復性。熱變性的DNA經緩慢冷卻后復性的過程稱為退火。DNA的復性速度受溫度的影響，如要使其復性，需要溫度緩慢下降。若在加熱后將其迅速冷卻至低溫，則幾乎不能復性。DNA復性的最佳溫度一般認為比Tm低25℃。

1.2 分子信標

分子信標是1996年Tyagi和Krammer[15]首次提出的一種熒光核酸探針，又稱為發卡探針。分子信標一般由環狀區、莖桿區、熒光基團和猝滅基團三部分構成。環狀區是一個長度為15-30堿基的環狀寡聚核苷酸序列，可以特異性與目標分子結合，莖通常是長度為5-8堿基的互補序列，熒光基團與猝滅基團分別連在信標分子的5’端和3’端。自由狀態時，莖桿區互補序列特異性結合形成發夾狀結構，猝滅分子吸收熒光分子發出的熒光并以熱能散發，熒光幾乎完全被猝滅，檢測不到熒光信號。當有靶序列存在時，分子信標的環序列可與序列完全互補的靶標分子形成比莖環結構更穩定的雙鏈雜交體，莖桿互補區被拉開，熒光分子與猝滅分子因距離增大而分開。根據Foerster理論，中心熒光能量轉移效率與兩者距離的6次方成反比。此時猝滅分子無法吸收熒光分子發出的熒光，信標分子的熒光幾乎完全恢復，于是可檢測到熒光，且所檢測到的熒光強度與溶液中靶標的量成正比（如圖1、圖2）。

2 DNA自組裝

DNA分子自組裝是指一些帶有輸入信息的DNA分子根據堿基互補配對原則，在一定的溫度、濃度、酸堿度以及特定酶的作用下，自組裝生成帶有輸出信息的新的DNA分子的過程。自組裝本身就是在執行實際的計算，經由退火使DNA序列根據堿基互補配對原則進行結合是它的動力。自組裝DNA計算模型是通過DNA分子間的相互作用形成特定的構型來完成計算過程，在思想上組合了DNA計算、Tiling理論和DNA納米技術，在計算過程中，它避免了其它DNA計算模型所需要的大量實驗操作次數，減少了操作帶來的時間耗費和誤差傾向，是目前備受關注的模型之一。

3 基于分子信標的DNA自組裝模型

3.1 分子信標的設計

分子信標的設計需要根據分子信標識別區在被其互補鏈雜交時產生的張力和分子信標莖桿的鍵能設計其莖桿長度。若環狀區過短，則很容易和非靶序列結合導致信標分子結構破裂。若莖桿部位很短，則環狀識別區會因和其他寡聚核苷酸結合而拉開莖干，莖干很長，則會導致環區結合靶序列后也打不開發卡結構。通常探針序列要比莖桿區序列長兩倍以上。因吡啶分子的二臂可以分別與兩個鳥嘌呤G形成穩定的三個氫鍵，可以設計一些鳥嘌呤G-C的非匹配對在分子信標的莖桿部分，定向誘導非匹配對形成雜交分子信標的莖環結構。

影響分子信標的因素還有溫度、pH、分子信標的純度等。分子信標的熔鏈溫度取決于莖桿區長度、G-C含量以及緩沖液離子強度，在較低溫度時可保持穩定的發卡結構，在較高溫度會破壞穩定的發卡結構而發出熒光。pH過高，莖桿區堿基對之間的穩定結構也會被破壞，使分子信標變性而產生熒光。雜質的存在嚴重影響分子信標的使用效果，導致檢測靈敏度降低，因此在使用分子信標試劑之前要進行嚴格的純化。

3.2 模型算法研究

自組裝計算模型由Winfree等學者首次提出[3]。自組裝計算模型的原理是由DNA序列的相互作用構成特殊形態從而進行計算。DNA自組裝實際上是構造DNA分子結構。在操作過程中將把單鏈DNA人工合成的過程稱為DNA雜交。雜交DNA分子具有特殊的粘性末端，因此它易于結合那些一樣具有粘性末端的DNA分子，而進一步促進DNA分子組裝。

DNA計算模型主要分為三步。

（1）生成給定問題所有可能解。

（2）利用生化反應的并行性，高速刪除非解。

（3）檢測問題最終解。

發夾DNA計算模型是由Sakatomo等人首次提出。其基本思想是通過合理編碼，將錯誤解編碼成可以在計算過程中形成發夾結構，并在每個編碼的DNA分子中加入某些內切酶識別位點的堿基，這樣就可以在發現錯誤解后將形成的發夾結構清除。將分子信標作為自組裝單元，是因為分子信標在一定條件下能夠直接將溶液中的核酸序列信息轉化為熒光信息，簡化了檢測DNA計算的最終解，而且分子信標可精確到單個堿基，大大減弱了與環部序列單個堿基錯配時所誘發的熒光信號，提高了結果的準確性。

算法的生物實現步驟如下。

對問題進行抽象并在DNA鏈上編碼分子信標；在實驗設施中加入所有約束條件中所包含的雙鏈DNA分子，通過一系列反應產生一個包括大量不同DNA雙鏈的大型數據池；升高實驗溫度使數據池中的DNA鏈發生變性反應從而解鏈成兩條單鏈DNA，然后將溶液稀釋，使得單鏈序列可自身形成發夾結構；通過分子信標產生的熒光判斷非解，切割所有形成的發夾結構；加熱解鏈，清洗掉所有雜交的補；退火重新形成分子信標；重復進行步驟3，4，5，6，排除所有的非解；對沒有切割水解掉的DNA鏈進行PCR擴增即可得到最終解。

4 結論與展望

作為一個DNA計算模型，這種方法具有并行的執行過程[4]，低能耗和計算高速性。分子信標靈敏度高，選擇性好，無需洗脫，且分子信標對堿基錯配分析時錯配位點所在位置沒有要求，靶序列錯配堿基所在位置的改變不影響反應結果，使得探針的設計更為簡單，比普通線型核酸探針有更大的靈活性。將分子信標與DNA自組裝結合，具有極大的研究價值。當然也有很多的缺點：如不夠自動化，發展空間不足，計算速度雖快但是得到結果和數據的速度卻很慢。

DNA分子解鏈溫度Tm的高低與其分子大小及所含堿基中G和C所占的比例相關，G和C含量越高值越高，且可由DNA分子大小及其GC含量計算，計算公式為：Tm=69.3+0.41（%G+C），小于20bp的寡核苷酸片斷的Tm值可用公式Tm=4（G+C）+2（A+T）計算。溫度對實驗結果的影響極其重要，因此尋找實驗溫度的一致性，有助于提高計算結果的準確性。開發不同的猝滅劑也是提高熒光猝滅效率和檢測靈敏度的一個研究方向，如增強熒光基團的信號，使用高效猝滅劑提高猝滅基團對熒光基團的猝滅效率，同時將多個猝滅基團修飾在分子信標上等。

參考文獻

[1]Watson J D，Crick F H C.Molecular Structure of Nucleic Acids： A Structure for Deoxyribose[J].Nature，1953，171（25）：737-738.

[2]Tyagi S，Krammer F R.Molecular Beacons：Probes that Fluoresce Upon Hybridization[J].Nat Bioteehnol，1996，14：305-308

[3]Winfree E.Design and self-assembly of two-dimensional crystals.Nature，1998，394：1223-1226.

[4]Ogihara M，Ray A，Executing parallel logical operations with DNA，IEEE，1999.