三鏈核酸在食品安全檢測中的研究進展

孫海燕 雷艷麗 諶委菊 全 珂

(1. 長沙理工大學食品與生物工程學院，湖南 長沙 410114；2. 長沙理工大學細胞化學湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114)

隨著經濟的快速發展和生活水平的提高，近年來對食品安全的關注度也得到了極大提升。影響食品安全的因素主要包括非法成分添加、真菌毒素污染、食源性致病菌污染、農獸藥殘留、重金屬污染等[1-3]。這些食源性有害物質的攝取對人體健康造成了一定威脅，輕則腹瀉，重則死亡[4]。因此，建立食品中痕量有害物的分析檢測技術對于評估食物產業鏈中各階段潛在有害因素、減少被污染食物的市場流通十分必要。傳統的食源性有害物檢測方法主要包括色譜分析法[5-6]、質譜法[7-8]、化學免疫分析法[9-10]、聚合酶鏈式反應[11-13]等，上述方法雖然準確性高，但是前處理復雜、對操作者專業素養要求高，抑或涉及大型儀器設備，不適用于食品的日常、現場檢測需求。因此，開發簡單、快速、可推廣的食品有害物檢測新方法是近年來食品安全領域關注的重點和熱點。

三鏈核酸(triplex nucleic acid, TNA)是在Watson-Crick雙鏈核酸基礎上，由第3條寡核苷酸鏈以Hoogsteen氫鍵嵌入到雙鏈大溝中形成的三螺旋核酸結構。三鏈核酸結構具有柔軟、可設計性強的特點，因此可對其環部或莖部進行理性設計，使三鏈核酸能夠響應特定刺激物或靶標發生構象轉化，進而實現功能活化[14]。此外，區別于其他功能核酸，三鏈核酸可實現信號識別單元和信號輸出單元的分離，在信號轉導方面具有明顯優勢，易與多種信號輸出模式結合，如熒光、比色、電化學、拉曼等，便于根據實際檢測需求開發適宜傳感平臺[15-16]。研究擬綜述三鏈核酸的結構與性質，以及基于三鏈核酸構建的熒光傳感器、電化學傳感器、比色傳感器、其他小眾傳感器在食品安全分析領域的應用，并對三鏈核酸在食品安全快速分析檢測中的發展前景與挑戰進行展望，以期為食品有害物的快速檢測提供新思路。

1 三鏈核酸的結構與穩定性

1.1 三鏈核酸結構

在核酸雙螺旋結構中，處于兩條鏈之間的堿基對并不在核酸鏈的軸上，因此造成雙鏈結構的不對稱性，形成大溝和小溝。其中，大溝中存在多余的氫鍵給體和受體，為第3條核酸鏈附著進而形成三鏈復合體提供了結構基礎。就具體結合方式而言，第3條核酸鏈既能以平行方式，也能以反平行的方式與雙鏈核酸纏繞在一起，如圖1(a)所示[17]。通常，富含嘧啶的單鏈DNA以平行的方式與雙鏈DNA中富含嘌呤的鏈經Hoogsteen鍵結合，而富含嘌呤的單鏈DNA則以反平行的方式與雙鏈DNA

圖1 三鏈核酸結構Figure 1 Different triplex structures

中富含嘌呤的鏈經反Hoogsteen鍵結合。與雙鏈核酸類似，三鏈核酸的形成建立在堿基特異性鍵合基礎上，主要分為C·G-C、G·G-C、T·A-T的平行三重結構以及C·G-C、G·G-C、T·A-T、A·A-T的反平行三重結構[圖1(a)]。根據第3條鏈的來源，三鏈核酸可分為分子內三螺旋結構和分子間三螺旋結構[圖1(b)]。前者是由一條單鏈寡核苷酸通過自身折疊纏繞形成的三螺旋結構，其堿基序列具有一定鏡像重復性。后者又可分為兩種形式：① 單鏈核酸與雙鏈核酸經Hoogsteen或反Hoogsteen鍵形成的三螺旋結構；② 一條單鏈核酸與另一單鏈核酸經Watson-Crick和Hoogsteen雙重作用形成的鉗夾式三螺旋結構。

1.2 影響三鏈核酸穩定性的因素

目前，已有一系列以三螺旋結構為基礎的三鏈核酸分子探針被開發用于生化傳感分析，而其實現功能的基本前提是三螺旋結構的穩定形成。影響三螺旋結構穩定性的因素可分為內因和外因兩個方面，其中內因主要來源核酸序列本身，包括三螺旋區域的鏈長度[18]、堿基組成[19]、骨架本性[20]等因素。外因則指外界環境對三螺旋結構形成的影響，主要涉及溶液中陽離子濃度[21]、pH[22]、溫度[23]等因素。上述因素往往通過影響第3條核酸鏈與核酸雙鏈結合時的氫鍵作用強度或雙鏈核酸重排時的能量大小，來影響三螺旋結構的穩定性[24]。

1.2.1 鏈長度的影響 參與三螺旋結構形成的寡聚脫氧核苷酸(ODN)長度是影響其穩定性的重要因素。一般來說，鏈長度太短，Hoogsteen氫鍵作用力太弱，不易形成穩定的三螺旋結構。鏈長度過長，則會發生自折疊形成穩定的二級結構，不利于三螺旋結構的形成。研究[25]表明，在分子間嘌呤嘌呤嘧啶三螺旋DNA的形成中，最佳鏈長度為12個堿基。Brown等[26]發現，在RNA·DNA-DNA型三螺旋結構形成中，第3條RNA鏈長度不得少于19個核苷酸，但將其長度延長至27個核苷酸并不會提高三鏈的穩定性。此外，Francesco等[27]發現鉗形三鏈環部長度亦會影響其穩定性。環部長度縮短，一方面可以降低三鏈形成所需熵變，進而有利于三鏈的形成，使其穩定區間向堿性pH移動；另一方面，其可提高三鏈結構的解鏈溫度(Tm)，改善熱穩定性。

1.2.2 堿基組成的影響 三螺旋結構的形成嚴格遵循堿基配對原則。堿基錯配、缺失均會導致第3條鏈扭曲，顯著降低三鏈結構的穩定性[28]。Pan等[29]發現，三螺旋結構穩定性的破壞程度與具體的錯配位置有關。一般而言，由于中間位置的錯配能夠干擾相鄰位置堿基的相互作用，因此中間錯配比末端錯配更容易破壞三螺旋結構。此外，三螺旋結構的穩定性與T·A-T/C·G-C三聯體的相對含量密切相關[30]。當T·A-T含量由50%提升至100%時，三鏈穩定的pH區間可向右拓寬4個單位，表明序列的堿基組成對三鏈形成的影響不可忽視。

1.2.3 堿基及核酸骨架修飾的影響 甲基化是最常見的堿基修飾方式之一，通常選擇胞嘧啶的5位點修飾。甲基化修飾可增強三鏈核酸的疏水作用力，進而拓寬三鏈穩定存在的pH區間，同時提高其解鏈溫度和親和常數[31]。然而并不是所有取代基都能增加三鏈的穩定性，且相同化學基團在不同位點取代對三鏈穩定性的影響也不盡相同。若在胞嘧啶的5位點采用丙基或溴取代會降低三鏈的穩定性，但若在尿嘧啶的5位點取代，則有利于三鏈的形成[32]。這可能與取代后成鍵原子的電荷密度變化有關。此外，核酸骨架特性也與三螺旋結構的穩定性有關。研究[33]表明，以多肽骨架取代磷酸二酯骨架所得到的肽核酸與DNA形成三鏈結構的穩定性得到明顯改善有關。

1.2.4 pH和溫度的影響 通常，第3條鏈中胞嘧啶(C)的N3位點發生質子化后才可與雙螺旋中鳥嘌呤(G)形成Hoogsteen氫鍵。因此，C·G-C含量較高的三螺旋結構對環境pH更敏感，且C·G-C含量越高，相應三螺旋結構穩定存在的pH值越低。與之相比，T·A-T堿基對的形成不涉及堿基的質子化，因而富含T·A-T的三螺旋結構能在中性甚至堿性環境中穩定存在。Liu等[34]發現，隨著pH的降低，含有60% C·G-C的三鏈核酸形成率逐漸升高，而含100% T·A-T的三鏈核酸形成率并未發生改變。此外，對胞嘧啶的C5位點進行甲基化修飾或引入嵌入劑噻唑橙(TO)，均可提高C·G-C型DNA三鏈在中性或更高pH下的穩定性[35]。而增加三螺旋結構中T·A-T/C·G-C的比例亦可緩解pH對三鏈穩定性的影響[30]。

與雙鏈核酸類似，三鏈核酸也存在Tm值。當環境溫度大于三鏈核酸的Tm時，三螺旋結構將被破壞，增加三螺旋結構中C·G-C含量可以提高其Tm。

1.2.5 陽離子濃度的影響 影響三螺旋結構穩定性的鹽離子主要是帶正電的陽離子，是因為陽離子可以屏蔽核酸骨架的負電荷，進而降低核酸鏈之間的排斥力；同時，陽離子骨架的脫水作用有利于三鏈核酸結構的穩定[36]。Thomas等[37]發現，陽離子類型及離子強度均對三鏈結構的穩定性有影響，金屬離子對三鏈穩定性的改善作用由大到小依次為Mg2+>Ca2 +>Sr2 +>Ba2+>Na+。此外，三螺旋結構的Tm隨二價陽離子濃度的增加而增加。當離子濃度相同時，溶液中陽離子價態越高，所形成的三鏈結構越穩定。在含多種不同陽離子的溶液中，還存在離子競爭性抑制作用。如濃度過高的Na+可與Mg2+競爭核酸上的鹽離子位點，從而降低三鏈核酸的穩定性[38-39]。

2 基于三鏈核酸的分析傳感方法

2.1 熒光分析法

熒光分析法具有靈敏度高、需樣量少、檢測快速等特點，在痕量食源性有害物的檢測中具有獨特優勢。基于三鏈核酸的熒光分析法基本原理為：利用靶標誘導三鏈核酸形成或解體，產生熒光變化，從而將生物識別事件轉化為熒光信號。基于三鏈核酸的傳感策略大體分為兩類：傳感探針與靶標作用后，熒光產生或增強(“off-on”策略)；傳感探針與靶標作用后，熒光降低或熄滅(“on-off”策略)。在一定濃度范圍內，傳感探針強度變化與靶標濃度呈正比。因此，可以根據熒光變化與否判定靶標是否存在，根據熒光強度變化程度確定靶標濃度。相比于“off-on”策略，“on-off”的熒光檢測策略易受非靶物質干擾，產生假陽性信號，且難以確定檢測上限，應用的廣泛程度不如前者。

食品中農、獸藥殘留超標會對人們的生命健康造成危害。如抗生素常被添加于飼料中用以避免養殖動物發生細菌性傳染疾病，其經食物鏈在人體中富集后，可引起人體內菌群紊亂及抗生素耐藥等不良影響[40]。Wen等[41]結合三鏈核酸和雜交鏈式反應(HCR)發展了一種“on-off”型熒光檢測平臺用于牛奶中氯霉素的放大檢測。該工作利用氯霉素觸發HCR反應，形成修飾有多個熒光受體的DNA雙鏈。所得DNA雙鏈又可與熒光供體標記的第3條鏈特異性作用形成三鏈復合體，將熒光受體和供體拉近，導致二者發生熒光共振能量轉移，供體熒光降低。該方法具有良好的檢測靈敏性，檢測限為1.2 pg/mL，檢測加標牛奶樣品的平均回收率為97.5%～106.0%。Deng等[42]構建了一種基于雙重三螺旋結構的“off-on”型熒光探針用于氯霉素的檢測[圖2(a)]。利用三鏈核酸環部核酸適配體序列在識別氯霉素后發生構象變化，導致三鏈結構被破壞，熒光基元和淬滅基團遠離，從而實現熒光恢復。該設計中，由于一個熒光基團可同時被兩個淬滅基團熄滅熒光，因此在背景信號和檢測信噪比方面，此探針較傳統的1∶1熄滅型探針更具優勢，檢測限低至0.18 nmol/L，并能精確測定魚和牛奶加標樣品中氯霉素含量。在農藥殘留檢測方面，Qu等[43]結合三鏈核酸和G-四聚體，開發了一種免標的熒光分子開關用于啶蟲脒的檢測。該分子開關的環部設計為啶蟲脒的核酸適配體序列，作為信號識別單元，其在識別啶蟲脒后導致三鏈解體，釋放出中間信號鏈。后者可形成G-四聚體，結合并增強N-甲基卟啉二丙酸 IX(NMM)熒光，從而實現對啶蟲脒的檢測，檢測限為2.38 nmol/L。

圖2 基于三鏈核酸的熒光分析方法用于食品有害物的檢測研究Figure 2 Application of fluorescence analysis method based on triplex nucleic acid in the detection of food pests

此外，基于三鏈核酸的熒光傳感方法在食品中重金屬離子、非法添加劑的檢測也相繼被報道[44-45]。Liu等[46]利用T-Hg2+-T堿基配對作用穩定核酸發卡結構，在此基礎上引入外切酶輔助放大技術和三鏈核酸開關，實現了對Hg離子的高靈敏熒光檢測，檢測限為1.04 pmol/L，檢測線性范圍為0.01～50.00 nmol/L[圖2(b)]。Yuan等[47]設計了一種T-三聚氰胺-T堿基錯配介導的滾環信號放大(RCA)方法，實現了對牛奶中三聚氰胺的熒光檢測，檢測限為2.5 nmol/L。將熒光分析法與核酸放大技術聯用，可極大改善探針檢測靈敏度，為痕量食源性有害物的檢測提供了重要技術支撐。然而，熒光信號易受復雜基質影響，開發新型熒光基團或熒光產生模式以滿足在復雜體系中的檢測需求將是未來的發展方向。

2.2 電化學分析法

電化學分析方法具有靈敏度高、成本低、操作簡單、設備易微型化等優點，非常適用于食品的現場、快速檢測。電化學生物傳感器的基本原理是以酶、抗體、核酸等生物材料作為識別元件，利用固體電極將識別元件與靶標之間的特異性相互作用轉換為電化學信號(如電勢、電阻、電容或電流等)，根據輸出信號的變化實現對靶標定量或定性分析。在基于三鏈核酸的電化學分析法中，三鏈核酸通常被固定于電極上，用于捕獲電活性分子。

食源性致病菌及生物毒素污染是引起食源性疾病和食物中毒的主要原因，對人體健康造成了不良影響，輕度導致腸胃炎，重則引起器官功能障礙[48]。食源性致病菌和毒素的快速、靈敏檢測是當前食品安全領域的重要挑戰。Zhou等[49]發展了一種基于三鏈核酸分子開關的電化學傳感器用于金黃色葡萄球菌的檢測[圖3(a)]。通過利用核酸適配體—磁珠系統特異性識別金黃色葡萄球菌，進而釋放并分離封閉DNA鏈。后者參與酶輔助的鏈置換反應，產生大量信號DNA鏈，將生物識別事件放大。信號DNA能夠特異性結合并破壞固定于電極表面的三鏈分子開關，暴露出位于三鏈莖部的富G序列。富G序列折疊形成G-四聚體后將捕獲電活性分子hemin，使得電流信號發生變化。相較于無信號放大過程的傳感策略，該方法的靈敏度得到顯著改善，檢測限低至8 CFU/mL，能準確檢測加標蜂蜜樣品中的金黃色葡萄球菌。Jie等[50]將用于捕獲hemin的三鏈核酸分子修飾于電極上，并在體系中引入聚合酶和外切酶輔助的雙重信號放大反應，實現了對內毒素脂多糖的超靈敏電化學檢測，檢測限可達0.012 fg/mL。

三聚氰胺是一種非法食品添加劑，常被不法商家添加至奶粉及動物飼料中。Liu等[51]利用堿性位點(AP)對三聚氰胺的高親和性，構建了三聚氰胺穩定的鉗形三鏈結構，通過核酸外切酶III切割鉗形三鏈結構，生成亞甲基藍標記的核酸短鏈，后者擴散到電極表面，產生亞甲基電信號，從而實現對三聚氰胺的靈敏檢測[圖3(b)]。根據輸出的電化學信號強度可確定三聚氰胺含量，檢測線性范圍為50 nmol/L～500 μmol/L，檢測限為8.7 nmol/L，顯著低于傳統的ELISA分析方法。

圖3 基于三鏈核酸的電化學分析方法用于食品有害物的檢測研究Figure 3 Electrochemical analysis method based on triplex nucleic acid for the detection of food pests

總體而言，當前基于三鏈核酸的電化學分析方法在檢測靈敏度和檢測成本方面具有優勢，但是在快速、現場檢測方面略顯不足。加速推進三鏈核酸探針與微型化電化學信號發生器(如血糖儀)聯用將是該領域的現實需求。

2.3 比色分析法

與熒光分析法和電化學分析法相比，比色分析法在檢測靈敏度方面略顯不足，但是其檢測結果更加直觀、可肉眼觀測，非常適用于食品污染物的快速、現場檢測。在基于三鏈核酸的比色傳感平臺中，三鏈核酸通常用來固定或封閉具備催化顯色反應能力的酶(包括蛋白酶、核酸酶、納米酶)。

真菌毒素容易在食品加工、貯藏等環節進入食物鏈，是常見的食品污染物，具有致畸、致癌等副作用，且大部分性質穩定，難以被破壞，是食品安全檢測領域關注的重點[52]。Xu等[53]利用三鏈核酸封閉脫氧核酶活性，開發了一種比色傳感平臺用于赭曲霉素的快速檢測(圖4)。將三鏈核酸的環部設計為核酸適配體序列，其結合赭曲霉素后發生構象變化，導致三鏈解體，核酶鏈被釋放。核酶鏈繼而結合hemin形成具有催化活性的復合體，催化H2O2氧化ABTS顯色。檢測過程可在22～37 ℃的溫度范圍內進行，1 h即可獲得檢測結果，檢測限為10～1 500 μg/kg。Luo等[54]利用脂多糖誘導三鏈解體進而觸發HCR反應，在磁珠上形成修飾有多個辣根過氧化物酶的DNA長鏈，磁分離后，利用辣根過氧化物酶催化TMB顯色。該方法檢測過程不超過4 h，肉眼觀察的檢測限為20 ng/mL，利用光學儀器獲得的檢測限為50 pg/mL。該方法通過引入HCR核酸放大步驟，在一定程度上彌補了比色法檢測靈敏度低的不足，為微量或痕量食源性有害物的現場、高靈敏檢測提供了重要思路。

圖4 基于三鏈DNA的比色傳感平臺檢測赭曲霉素原理圖[53]Figure 4 Illustration of triplex DNA-based colorimetric platform for rapid detection of Ochratoxin A

與上述利用酶催化底物顯色的檢測思路不同，Ling等[55]利用金黃色葡萄球菌核酸序列的PCR產物誘導三鏈核酸形成，進而介導金納米顆粒聚集發生顏色變化，10 min 內實現了金黃色葡萄球菌的可視化檢測。根據紫外吸收測定的檢測限為0.28 pg/0.05 mL，檢測線性范圍為16.0 fg/μL～1.6 ng/μL。但是基于金納米顆粒聚集的比色法易受復雜基質的影響，難以適用于實際樣品的檢測。若能引入磁分離技術，有望克服上述不足。

2.4 其他分析方法

除上述分析方法外，Xu等[56]建立了一種基于核酸三鏈體系的表面增強拉曼光譜方法用于Ag+的快速檢測。當Ag+存在時，其可介導C-Ag+-C配位作用，促使核酸三鏈形成，導致修飾有羅丹明6G的金納米顆粒團聚，產生羅丹明6G的拉曼信號峰，從而達到檢測Ag+的目的。Ebrahim等[57]針對多氯聯苯這種具有持久生物累積毒性的物質，開發了一種基于液晶的無標記、快速分析方法(圖5)。該方法利用多氯聯苯破壞三螺旋結構，釋放中間信號鏈與固定于玻片上互補序列雜交，進而擾亂玻片上物質的垂直定向，導致從暗到亮的光信號變化。該方法的檢測下限為1.5×10-5μg/L，能選擇性檢測自來水、環境水和牛奶中的多氯聯苯。目前已有報道將液晶傳感模式與手機等便攜設備整合，因此利用該傳感模式有望在食品有害物的現場、快速檢測方面取得突破。

圖5 基于三鏈DNA的液晶傳感平臺檢測多氯聯苯的 示意圖[57]Figure 5 The schematic diagram of the triplex DNA-based LC biosensor for PCB77 detection

3 總結與展望

綜上，三鏈核酸具有易設計與修飾、結構可控以及信號識別單元與信號報告單元分離等優點，被廣泛用于構建生物傳感器，目前已在食品安全檢測領域中開展應用研究。在生化分析應用中，基于材料的同質性，常將核酸適配體、G-四連體等功能核酸與三鏈核酸整合為一體，前者可賦予三鏈核酸以高靶標選擇性，后者一般設計成三螺旋結構中的中間鏈，作為三鏈核酸的信號輸出單元。

此外，三鏈核酸還能夠與催化發卡自組裝(HCR)、鏈置換(CHA)等核酸放大方法結合，提高對靶標的檢測靈敏度。

雖然基于三鏈核酸的傳感平臺在食源性有害物的檢測中已取得一些進展，但結合當前研究開發現狀和未來實際應用需求，該傳感平臺在以下3個方面有待改善：① 提高三鏈核酸的穩定性，使其能夠直接用于復雜食品基質中有害物的檢測，如此，可避免復雜的前處理，使真正意義上的快速、臨場檢測成為可能；② 豐富三鏈核酸的靶識別模式和機理，拓展其在食品安全檢測應用中的廣度；③ 加強與紙芯片、微流控、血糖儀、智能手機等便攜式設備的聯用，加速臨場檢測產品的開發和商業化。隨著基于三鏈核酸的分析方法在穩定性、檢測機理、應用革新方面的不斷完善，三鏈核酸有望在食品安全即時、快速檢測方面發揮重要作用。