利用對G—四鏈體環(huán)部的構(gòu)型調(diào)節(jié)進行傳感器的設(shè)計

段娜娜+王娜+楊薇+孔德明

摘要：對鳥嘌呤堿基G重復(fù)序列之間連接環(huán)結(jié)構(gòu)對G-四鏈體形成的影響進行了研究。發(fā)現(xiàn)在連接環(huán)較長，DNA鏈不易形成G-四鏈體的情況下，可以通過將環(huán)序列設(shè)計成雙鏈結(jié)構(gòu)的方式促進G-四鏈體的重新形成。這就為傳感器的設(shè)計提供了一個新途徑，即可以利用目標分子對環(huán)部雙鏈的調(diào)節(jié)作用控制G-四鏈體DNA酶的活性。為證明這一點，在雙鏈區(qū)域引入T-T堿基錯配，破壞雙鏈結(jié)構(gòu)使DNA鏈不能形成G-四鏈體。Hg2+對T-T錯配的穩(wěn)定作用可以促進雙鏈結(jié)構(gòu)的形成，DNA鏈重新折疊成G-四鏈體，得到的G-四鏈體與氯化血紅素（Hemin）結(jié)合后形成具有過氧化物酶活性的G-四鏈體DNA酶，據(jù)此構(gòu)建了Hg2+傳感器。利用此傳感器可在10～700 nmol/L范圍內(nèi)實現(xiàn)Hg2+的定量檢測，檢出限為8.7 nmol/L。在此基礎(chǔ)上，利用半胱氨酸可以將Hg2+從T-Hg2+-T堿基對上競爭下來的能力，設(shè)計了一種半胱氨酸的檢測方法。此方法可以在20～600 nmol/L范圍內(nèi)實現(xiàn)半胱氨酸的定量檢測，檢出限為14 nmol/L。

關(guān)鍵詞：G-四鏈體； DNA酶； 傳感器； 汞離子； 半胱氨酸

1引言

G-四鏈體是由含有幾組鳥嘌呤堿基G重復(fù)序列的DNA或RNA形成的一種特殊的核酸二級結(jié)構(gòu)[1，2]。就某些G-四鏈體而言，當(dāng)它們與Hemin結(jié)合后可形成具有過氧化物酶活性的G-四鏈體DNA酶[3]，催化H2O2參與的一些反應(yīng)，產(chǎn)生吸光信號、熒光信號或化學(xué)發(fā)光信號[4～6]。與天然酶相比，G-四鏈體DNA酶由于具有價廉、易得、便于存儲和修飾及設(shè)計靈活等優(yōu)勢，使其在傳感器的設(shè)計方面得到了廣泛應(yīng)用[7～16]。

G-四鏈體的構(gòu)型及穩(wěn)定性受多種因素的影響，包括溶液中金屬離子的類型及環(huán)序列的長度等。研究表明：較短的環(huán)有利于形成催化能力較強的平行構(gòu)型的G-四鏈體；而當(dāng)環(huán)較長時，則傾向于形成催化能力較弱的反平行的G-四鏈體[17～20]。環(huán)的長度加大會在一定程度上降低G-四鏈體的穩(wěn)定性[21]。若分子內(nèi)G-四鏈體的3個連接環(huán)中只有一個為長環(huán)，即使它的長度達到30個堿基，仍能形成穩(wěn)定的G-四鏈體； 若存在2個或3個長的連接環(huán)，且它們的長度達到一定程度時，則無法形成穩(wěn)定的G-四鏈體[22]。

本研究發(fā)現(xiàn)，若長的環(huán)序列內(nèi)部的部分堿基之間可以發(fā)生堿基配對，使環(huán)部折疊成雙鏈結(jié)構(gòu)時，由于雙鏈結(jié)構(gòu)的形成可以極大地縮短G重復(fù)序列之間的距離，有望使相應(yīng)的核酸序列恢復(fù)形成G-四鏈體的能力（圖1）。這一發(fā)現(xiàn)為利用G-四鏈體DNA酶進行傳感器的設(shè)計提供了新途徑，例如可以利用金屬離子與DNA堿基的結(jié)合作用調(diào)節(jié)環(huán)部的雙鏈結(jié)構(gòu)，通過控制G-四鏈體的生成來實現(xiàn)酶活性的調(diào)控。本研究利用Hg2+對T-T錯配堿基的穩(wěn)定能力進行了Hg2+傳感器的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，借助于Hg2+與半胱氨酸之間強的相互作用還可以實現(xiàn)半胱氨酸的定量檢測。

4結(jié)論

本研究證實了當(dāng)G重復(fù)序列之間存在多個長的連接環(huán)，導(dǎo)致DNA鏈不易形成G-四鏈體時，可以通過把環(huán)部設(shè)計為雙鏈結(jié)構(gòu)的方式使DNA鏈重新獲得形成G-四鏈體的能力。本研究利用靶標對雙鏈區(qū)域的調(diào)節(jié)作用控制G-四鏈體的生成，進而改變G-四鏈體DNA酶的活性。基于此，設(shè)計了Hg2+ 傳感器和半胱氨酸傳感器，可用于Hg2+和半胱氨酸的定量測定。隨著對金屬-堿基對研究的不斷深入[33]，本研究提出的傳感器設(shè)計方案可以很容易推廣到其它金屬離子的檢測，例如利用Ag+對C-C堿基錯配的穩(wěn)定能力進行Ag+傳感器的設(shè)計； 還可以考慮把環(huán)部設(shè)計為適配體序列，利用適配體與靶標的特異性結(jié)合來縮短G重復(fù)序列之間的距離，實現(xiàn)靶標的特異性定量檢測。

摘要：對鳥嘌呤堿基G重復(fù)序列之間連接環(huán)結(jié)構(gòu)對G-四鏈體形成的影響進行了研究。發(fā)現(xiàn)在連接環(huán)較長，DNA鏈不易形成G-四鏈體的情況下，可以通過將環(huán)序列設(shè)計成雙鏈結(jié)構(gòu)的方式促進G-四鏈體的重新形成。這就為傳感器的設(shè)計提供了一個新途徑，即可以利用目標分子對環(huán)部雙鏈的調(diào)節(jié)作用控制G-四鏈體DNA酶的活性。為證明這一點，在雙鏈區(qū)域引入T-T堿基錯配，破壞雙鏈結(jié)構(gòu)使DNA鏈不能形成G-四鏈體。Hg2+對T-T錯配的穩(wěn)定作用可以促進雙鏈結(jié)構(gòu)的形成，DNA鏈重新折疊成G-四鏈體，得到的G-四鏈體與氯化血紅素（Hemin）結(jié)合后形成具有過氧化物酶活性的G-四鏈體DNA酶，據(jù)此構(gòu)建了Hg2+傳感器。利用此傳感器可在10～700 nmol/L范圍內(nèi)實現(xiàn)Hg2+的定量檢測，檢出限為8.7 nmol/L。在此基礎(chǔ)上，利用半胱氨酸可以將Hg2+從T-Hg2+-T堿基對上競爭下來的能力，設(shè)計了一種半胱氨酸的檢測方法。此方法可以在20～600 nmol/L范圍內(nèi)實現(xiàn)半胱氨酸的定量檢測，檢出限為14 nmol/L。

關(guān)鍵詞：G-四鏈體； DNA酶； 傳感器； 汞離子； 半胱氨酸

1引言

G-四鏈體是由含有幾組鳥嘌呤堿基G重復(fù)序列的DNA或RNA形成的一種特殊的核酸二級結(jié)構(gòu)[1，2]。就某些G-四鏈體而言，當(dāng)它們與Hemin結(jié)合后可形成具有過氧化物酶活性的G-四鏈體DNA酶[3]，催化H2O2參與的一些反應(yīng)，產(chǎn)生吸光信號、熒光信號或化學(xué)發(fā)光信號[4～6]。與天然酶相比，G-四鏈體DNA酶由于具有價廉、易得、便于存儲和修飾及設(shè)計靈活等優(yōu)勢，使其在傳感器的設(shè)計方面得到了廣泛應(yīng)用[7～16]。

G-四鏈體的構(gòu)型及穩(wěn)定性受多種因素的影響，包括溶液中金屬離子的類型及環(huán)序列的長度等。研究表明：較短的環(huán)有利于形成催化能力較強的平行構(gòu)型的G-四鏈體；而當(dāng)環(huán)較長時，則傾向于形成催化能力較弱的反平行的G-四鏈體[17～20]。環(huán)的長度加大會在一定程度上降低G-四鏈體的穩(wěn)定性[21]。若分子內(nèi)G-四鏈體的3個連接環(huán)中只有一個為長環(huán)，即使它的長度達到30個堿基，仍能形成穩(wěn)定的G-四鏈體； 若存在2個或3個長的連接環(huán)，且它們的長度達到一定程度時，則無法形成穩(wěn)定的G-四鏈體[22]。

本研究發(fā)現(xiàn)，若長的環(huán)序列內(nèi)部的部分堿基之間可以發(fā)生堿基配對，使環(huán)部折疊成雙鏈結(jié)構(gòu)時，由于雙鏈結(jié)構(gòu)的形成可以極大地縮短G重復(fù)序列之間的距離，有望使相應(yīng)的核酸序列恢復(fù)形成G-四鏈體的能力（圖1）。這一發(fā)現(xiàn)為利用G-四鏈體DNA酶進行傳感器的設(shè)計提供了新途徑，例如可以利用金屬離子與DNA堿基的結(jié)合作用調(diào)節(jié)環(huán)部的雙鏈結(jié)構(gòu)，通過控制G-四鏈體的生成來實現(xiàn)酶活性的調(diào)控。本研究利用Hg2+對T-T錯配堿基的穩(wěn)定能力進行了Hg2+傳感器的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，借助于Hg2+與半胱氨酸之間強的相互作用還可以實現(xiàn)半胱氨酸的定量檢測。

4結(jié)論

本研究證實了當(dāng)G重復(fù)序列之間存在多個長的連接環(huán)，導(dǎo)致DNA鏈不易形成G-四鏈體時，可以通過把環(huán)部設(shè)計為雙鏈結(jié)構(gòu)的方式使DNA鏈重新獲得形成G-四鏈體的能力。本研究利用靶標對雙鏈區(qū)域的調(diào)節(jié)作用控制G-四鏈體的生成，進而改變G-四鏈體DNA酶的活性。基于此，設(shè)計了Hg2+ 傳感器和半胱氨酸傳感器，可用于Hg2+和半胱氨酸的定量測定。隨著對金屬-堿基對研究的不斷深入[33]，本研究提出的傳感器設(shè)計方案可以很容易推廣到其它金屬離子的檢測，例如利用Ag+對C-C堿基錯配的穩(wěn)定能力進行Ag+傳感器的設(shè)計； 還可以考慮把環(huán)部設(shè)計為適配體序列，利用適配體與靶標的特異性結(jié)合來縮短G重復(fù)序列之間的距離，實現(xiàn)靶標的特異性定量檢測。

摘要：對鳥嘌呤堿基G重復(fù)序列之間連接環(huán)結(jié)構(gòu)對G-四鏈體形成的影響進行了研究。發(fā)現(xiàn)在連接環(huán)較長，DNA鏈不易形成G-四鏈體的情況下，可以通過將環(huán)序列設(shè)計成雙鏈結(jié)構(gòu)的方式促進G-四鏈體的重新形成。這就為傳感器的設(shè)計提供了一個新途徑，即可以利用目標分子對環(huán)部雙鏈的調(diào)節(jié)作用控制G-四鏈體DNA酶的活性。為證明這一點，在雙鏈區(qū)域引入T-T堿基錯配，破壞雙鏈結(jié)構(gòu)使DNA鏈不能形成G-四鏈體。Hg2+對T-T錯配的穩(wěn)定作用可以促進雙鏈結(jié)構(gòu)的形成，DNA鏈重新折疊成G-四鏈體，得到的G-四鏈體與氯化血紅素（Hemin）結(jié)合后形成具有過氧化物酶活性的G-四鏈體DNA酶，據(jù)此構(gòu)建了Hg2+傳感器。利用此傳感器可在10～700 nmol/L范圍內(nèi)實現(xiàn)Hg2+的定量檢測，檢出限為8.7 nmol/L。在此基礎(chǔ)上，利用半胱氨酸可以將Hg2+從T-Hg2+-T堿基對上競爭下來的能力，設(shè)計了一種半胱氨酸的檢測方法。此方法可以在20～600 nmol/L范圍內(nèi)實現(xiàn)半胱氨酸的定量檢測，檢出限為14 nmol/L。

關(guān)鍵詞：G-四鏈體； DNA酶； 傳感器； 汞離子； 半胱氨酸

1引言

G-四鏈體是由含有幾組鳥嘌呤堿基G重復(fù)序列的DNA或RNA形成的一種特殊的核酸二級結(jié)構(gòu)[1，2]。就某些G-四鏈體而言，當(dāng)它們與Hemin結(jié)合后可形成具有過氧化物酶活性的G-四鏈體DNA酶[3]，催化H2O2參與的一些反應(yīng)，產(chǎn)生吸光信號、熒光信號或化學(xué)發(fā)光信號[4～6]。與天然酶相比，G-四鏈體DNA酶由于具有價廉、易得、便于存儲和修飾及設(shè)計靈活等優(yōu)勢，使其在傳感器的設(shè)計方面得到了廣泛應(yīng)用[7～16]。

G-四鏈體的構(gòu)型及穩(wěn)定性受多種因素的影響，包括溶液中金屬離子的類型及環(huán)序列的長度等。研究表明：較短的環(huán)有利于形成催化能力較強的平行構(gòu)型的G-四鏈體；而當(dāng)環(huán)較長時，則傾向于形成催化能力較弱的反平行的G-四鏈體[17～20]。環(huán)的長度加大會在一定程度上降低G-四鏈體的穩(wěn)定性[21]。若分子內(nèi)G-四鏈體的3個連接環(huán)中只有一個為長環(huán)，即使它的長度達到30個堿基，仍能形成穩(wěn)定的G-四鏈體； 若存在2個或3個長的連接環(huán)，且它們的長度達到一定程度時，則無法形成穩(wěn)定的G-四鏈體[22]。

本研究發(fā)現(xiàn)，若長的環(huán)序列內(nèi)部的部分堿基之間可以發(fā)生堿基配對，使環(huán)部折疊成雙鏈結(jié)構(gòu)時，由于雙鏈結(jié)構(gòu)的形成可以極大地縮短G重復(fù)序列之間的距離，有望使相應(yīng)的核酸序列恢復(fù)形成G-四鏈體的能力（圖1）。這一發(fā)現(xiàn)為利用G-四鏈體DNA酶進行傳感器的設(shè)計提供了新途徑，例如可以利用金屬離子與DNA堿基的結(jié)合作用調(diào)節(jié)環(huán)部的雙鏈結(jié)構(gòu)，通過控制G-四鏈體的生成來實現(xiàn)酶活性的調(diào)控。本研究利用Hg2+對T-T錯配堿基的穩(wěn)定能力進行了Hg2+傳感器的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，借助于Hg2+與半胱氨酸之間強的相互作用還可以實現(xiàn)半胱氨酸的定量檢測。

4結(jié)論

本研究證實了當(dāng)G重復(fù)序列之間存在多個長的連接環(huán)，導(dǎo)致DNA鏈不易形成G-四鏈體時，可以通過把環(huán)部設(shè)計為雙鏈結(jié)構(gòu)的方式使DNA鏈重新獲得形成G-四鏈體的能力。本研究利用靶標對雙鏈區(qū)域的調(diào)節(jié)作用控制G-四鏈體的生成，進而改變G-四鏈體DNA酶的活性。基于此，設(shè)計了Hg2+ 傳感器和半胱氨酸傳感器，可用于Hg2+和半胱氨酸的定量測定。隨著對金屬-堿基對研究的不斷深入[33]，本研究提出的傳感器設(shè)計方案可以很容易推廣到其它金屬離子的檢測，例如利用Ag+對C-C堿基錯配的穩(wěn)定能力進行Ag+傳感器的設(shè)計； 還可以考慮把環(huán)部設(shè)計為適配體序列，利用適配體與靶標的特異性結(jié)合來縮短G重復(fù)序列之間的距離，實現(xiàn)靶標的特異性定量檢測。