CN102229984A - 一种基于熵驱动的dna杂交反应和荧光显微镜计数进行单分子检测的新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种扩增的单分子检测方法,利用溶液中不同结构的寡核苷酸分子互补时自由能的不同,当目标核酸链存在时,小的核酸分子(杂交单体)通过互补延伸,形成一条长的双链核酸分子,长的核酸分子在溶液中随机卷曲,形成直径为1-2μm左右的小球,实现引发信号从纳米到微米级的转换。如果在小核酸分子上标记荧光,利用小核酸分子和长链核酸分子体积和荧光的差异,可以在显微镜下显示出明显的区别。由于目标链的引发和链的生长延伸是严格对应的,因此可以进行单分子的检测。此方法简单,不涉及到生物酶放大等复杂因素和操作程序;无需分离,灵敏度高;本发明将在基础科学、临床和诊断研究中蛋自质和核酸的单分子定量检测方面具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种单分子检测的方法,利用溶液中DNA分子不同结构熵的不同。在有目标DNA链存在的情况下,利用熵驱动引发延伸反应,小的核酸分子彼此延伸,形成长的双链核酸分子,长的核酸分子在溶液中随机卷曲,形成一团。利用小分子和长链分子结构的差异,荧光强度的不同,可以在显微镜下显示出明显的区别,进而可以进行溶液中单分子的检测。此方法灵敏度高,方法简单,不涉及到酶的放大等一系列复杂因素。不需要分离,可以实现目标物的均相检测。
通过核酸适体识别的转换作用,也可以进行蛋白或者其它分子的单分子定量检测。
背景技术
熵驱动的DNA杂交链式反应(Hybridization Chain Reaction(HCR))是一种新的无需酶的参与并能将DNA信号转换和放大的方法。该方法的基本原理为:在碱基对形成的自由能的驱使下,不需要酶或者其他的辅助因素,通过目标链的引发,小的单链DNA可以自组织聚合成为较长的DNA结构。Dirks等(R.M.Dirks,N.A.Pierce,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2004,101,15275)同时也提出了利用ATP适体可以特异性的结合溶液中的ATP,从而打开引发链的茎环结构,然后再进行杂交链式反应。
其后,2007年Zhang等(D.Y.Zhang,A.J.Turberfield,B.Yurke,E.Winfree,Science 2007,318,1121)通过设计目标链为特定的嵌入寡核苷酸序列,它作为催化剂参与反应,释放另一特定的寡核苷酸链,而这条链又可以作为下一个实验的催化剂,并依次循环下去,最后目标链又被释放出来,从而实现了目标链的循环放大。这也是利用熵驱动原理来进行DNA链的检测,并最终建立了一种简单、快速的DNA检测方法。2008年Yin课题组(P.Yin,H.M.Choi,C.R.Calvert,N.A.Pierce,Nature 2008,451,318)也利用类似的方法,对DNA进行了检测。近年来,利用杂交链式反应进行的分析检测得到了较快的发展。我们也曾利用熵驱动的DNA开关分子进行了单碱基突变的检测,在目标DNA的驱使下,通过开关分子的结构转换和信号放大,实现了对单核苷酸多态性的灵敏检测(C.Shi,C.H.Zhao,Q.J.Guo,C.P.Ma,Chem.Commun.2011,47,2895)。
荧光显微镜直接计数法是通过对溶液中单个分子进行清点、统计和计数,根据溶液中检测到的单个分子的数量来对溶液浓度进行检测的一种定量方法。这种方法具有灵敏度高、所需样品量少、快速、准确、简便的优点,在细菌、真菌等病害菌的检测过程中应用广泛。鄢庆枇等(鄢庆枇、邹文政、纪荣兴、庄峙厦、王小如.海洋科学2006,30,18)结合荧光抗体技术(FAT)的反应特异性和敏感性与荧光显微镜的精确性相结合,对河流弧菌进行快速检测。Jarvius等(J.Jarvius,J.Melin,J.J.Stenberg,S.Fredriksson,C.Gonzalez-Rey,S.Bertilsson,M.Nilsson1,Nat.Methods.2006,3,725)利用目标分子特异性识别引发的滚环复制对目标分子进行扩增放大,在标记荧光后利用荧光显微镜对扩增的目标分子进行检测。由于扩增后的分子其体积和荧光都远高于原有的DNA分子,利用软件设置荧光的阈值,可以在均相溶液中对目标分子进行灵敏的检测,得到较好的检测效果。2008年,Li等(L.Li,X.Z.Tian,G.Z.Zou,Z.K.Shi,X.L.Zhang,W.R.Jin,Anal.Chem.2008,80,3999)利用电化学方法将溶液中的荧光分子或荧光标记的抗体分子和DNA分子沉积在盖玻片的表面,利用全内反射荧光显微镜对单个分子成像,通过清点单个分子的的个数检测溶液浓度。
基于荧光显微镜计数检测方式以及熵驱动DNA杂交增长的优点,本发明建立一种熵驱动的、操作简便的荧光显微镜单分子检测方法。它不需要聚合酶或者切刻酶对DNA分子的复制、切刻或置换,仅仅利用不同碱基互补自由能的不同,实现DNA链的互补、置换、增长。在荧光显微镜下,由于聚合后链的体积以及荧光的亮度都远远大于原有反应前的单链,从而可以实现对目标DNA链或其它分子的均相灵敏检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种单分子检测的新方法。
本发明所提供的方法,称为一种基于熵驱动的DNA杂交反应和荧光显微镜计数进行单分子检测的新方法,包括以下步骤:
1 如检测的目标是核酸,根据目标链的序列设计相应序列的H1链和H2链。如果是用核酸适体的特异性结合来检测目标蛋白质或者小的化合物分子。首先设计引发链I,I链包括两个功能部分:一部分是可以和检测目标结合的核酸适体部分,一部分是和H1链互补结合的部分。H1链和H2链有互补部分,但在低于杂交反应的温度条件下,H1链和H2链单独混合,不会自身打开彼此互补并延伸。
2 在有目标核酸(T)存在的情况下,T链结合H1链并互补,和T链互补后的H1链和H2链互补,H2链再和H1链互补,于是形成一条序列为TH1H2 H1H2 H1H2......的长链(L)。
3 在H1链和H2链的一端或者两端进行标记,以便于荧光检测。
4 利用显微镜,如荧光显微镜,荧光共聚焦显微镜进行长链(L)的检测。
本发明的原理如图1所示:
检测的目标T以DNA为例。H1与H2链单独存在时,由于其有稳定的茎环结构,因此可以稳定存在。当加入目标链T时,T可以与H1链结合,然后延伸,最后完全打开H1的茎环结构。被打开的H1链的成环部分又可以与H2链的突出末端结合从而打开H2链,而H2链的成环部分又可以与H1链的突出末端结合打开H1链,依次循环下去,最终形成了TH1H2H1H2......形式的DNA长链L。
由于H1与H2链的末端标记有荧光基团FAM,因此最终形成的DNA长链L在溶液中随机卷曲,其体积可达到直径为1-2μm左右的小球。通过荧光显微镜观察,然后选择合适的软件对视野中的荧光信号进行处理,对荧光DNA球统计、计数。根据目标DNA的浓度与荧光DNA球个数的关系,得到线性方程,最终实现目标的均相灵敏检测。
本发明一种基于熵驱动的DNA杂交反应和荧光显微镜计数进行单分子检测的新方法具有以下优点:
1 本发明首次将熵驱动的DNA链式杂交反应与荧光显微镜计数法联系起来。
2 本发明利用DNA链的增长,将标有荧光基团的单链聚集起来,从而使荧光信号得到放大,进而可以实现DNA链扩增的单分子检测。
3 本发明反应过程没有酶的参与,且反应温度适用范围广,没有严格的反应缓冲液的要求,并且在复杂缓冲液中也可以快捷、方便的对目标链进行检测,该实验过程简单易行,结果稳定。
4 应用荧光显微镜结合DNA的熵驱动扩增对致病菌进行灵敏诊断,无需用酶,操作简便。可以克服传统PCR等检测过程中对操作要求较高,培养检测法时间过长的缺点,准确性又大大高于一般镜检结果。因此,该方法可以用于多种分子诊断和分子检测的快速进行。
附图说明
图1为一种基于熵驱动的DNA杂交反应和荧光显微镜计数进行单分子检测的新方法的原理图。
图2为不同目标DNA链(T)引发形成的核酸长链产物电泳图(其中M:2000bp DNA Marker.泳道1-5:T浓度分别为:0、10.0、1.0、0.5、0.1μM,H1与H2的浓度为1.0μM)。
图3为荧光共聚焦显微镜下目标DNA链引发的长链产物荧光检测计数示意图(其中H1与H2的浓度为0.3μM,目标链T的浓度为10-13M)。
图4为荧光共聚焦检测所得线性曲线图。
具体实施方式
以下实施例将有助于本领域的普通技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。
实施例1:一种基于熵驱动的DNA杂交反应和荧光显微镜计数进行单分子检测的新方法
实验步骤:
一、序列设计
以弧菌中的霍乱弧菌(Vibrio cholerae non-O1)作为检测的对象,从霍乱弧菌基因组中的16S rDNA中选择能够代表霍乱弧菌特征的DNA序列作为检测的目标分子(目标链T),依据此DNA序列进行杂交链H1和H2的设计。H1和H2设计的原则为:在没有目标链T存在的情况下,H1和H2在溶液中是稳定存在的,不会发生结构的变化和DNA链的杂交生长;但当目标链T存在时,由于目标链的引发,DNA链会发生T-H1-H2-H1-H2.....的交替延伸与生长。因此设计DNA链H1和H2为发夹结构,其茎(stem)为18个碱基,环(loop)为12个碱基。H1和H2的5′和3′突出末端作为杂交落脚点序列(toehold),设计为6个碱基。利用The UNAFold Web Server分析工具对设计好的DNA链进行退火温度(Tm)、熵值(ΔS)、自由能(ΔG)及链之间杂交情况等的评估。为了进行荧光检测,分别在H1和H2的3′和5′突出末端标记6-羧基荧光素(6-FAM)(见原理图和表1)。
表1 本实验所用的DNA序列
二、琼脂糖电泳验证DNA链的杂交
1、分别取H1、H2在反应缓冲液(0.05M Na2HPO4和0.5M NaCl)中95℃变性5min,缓慢冷却至室温,待用。
2、按表2对不同浓度目标链T 95℃变性5min,缓慢冷却至室温,待用。
表2 不同浓度的目标链T的配制
3、将变性后的不同浓度的T与H1、H2链混合,最终反应体系为30μL,H1、H2链的终浓度为10-6M。置于25℃,反应12h。
4、取反应液5μL上样于1%的琼脂糖凝胶电泳,120V,24min。
5、置于凝胶成像仪下观察电泳结果,电泳如图2所示。
6、观察图2得知,泳道1只有在100bp以下有条带,而没有100bp以上的弥散带,说明H1和H2单独存在时没有发生DNA杂交;由于H1与H2的摩尔数多于T,所以泳道2形成一些较小的DNA片段;泳道3、4、5均出现了弥散条带,且随着目标链的减少,弥散带逐渐增大,证实了熵驱动的DNA链式杂交反应的进行。
三、荧光共聚焦检测DNA链杂交
1、分别取目标链T、H1和H2在反应缓冲液(0.05M Na2HPO4和0.5M NaCl)中95℃变性5min,缓慢冷却至室温,待用。
2、将变性后T链与H1、H2链混合。在30μL反应体系中,H1、H2链的终浓度为3×10-7M,目标链终浓度为10-13M。将反应液置于25℃下,反应12h。
4、取反应液10μL于载玻片上,盖上盖玻片。
5、用荧光共聚焦显微镜检测。由于熵驱动的DNA杂交,形成了直径大约为1μm的DNA球。一般荧光DNA球周围会有光晕,因此在荧光显微镜下看到直径大约为2mm左右的DNA球。
6、图3即为目标链浓度为10-13M时,用荧光显微镜观察所得图像。由图中可以看到有明显的荧光点,且直径大小在1~2μm之间,符合预期结果。
7、收集不同位置的荧光图像,并采用MetaMorph软件对收集的图像进行数据分析。为了保证个体荧光点和背景噪声有一个明显的对比以及保证单分子计数结果的准确性,需要设定一个最佳的阈值用于基底表面吸附的个体荧光点的单分子计数。
8、按照以上实验步骤,加入不同浓度的目标链。随着目标链浓度的改变,形成的DNA球的个数也相应的改变。根据所加入目标链浓度的不同,采用单分子计数的方法,数出图像中的荧光DNA球的总数。根据荧光DNA球数目的变化,最终得到线性方程。
9、由图4可知,采用熵驱动的DNA杂交反应和荧光显微镜计数对单分子进行检测方法,可以得到目标链浓度与荧光点个数在3.0×10-14M~2.0×10-12M之间的线性关系。其线性方程为:N=301.8logC-135.5(C为目标链的浓度,10-14M),相关系数为0.9937。
Claims (9)
1.一种基于熵驱动的DNA杂交反应和荧光显微镜计数进行单分子检测的新方法。
步骤包括:
(a)如检测的目标是核酸,根据目标链的序列设计相应序列的H1链和H2链。如果是用核酸适体的特异性结合来检测目标蛋白质或者小的化合物分子。首先设计引发链T,T链包括两个功能部分:一部分是可以和检测目标结合的核酸适体部分,一部分是和H1链互补结合的部分。H1链和H2链有互补部分,但在低于杂交反应的温度条件下,H1链和H2链单独混合,不会自身打开彼此互补并延伸。
(b)在有目标核酸(T)存在的情况下,T链结合H1链并互补,和T链互补后的H1链和H2链互补,H2链再和H1链互补,于是形成一条序列为TH1H2 H1H2 H1H2......的长链(L)。
(c)在H1链和H2链的一端或者两端进行标记,以便于荧光检测。
(d)利用显微镜,如荧光显微镜,荧光共聚焦显微镜进行长链(L)的检测。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(a)中的H1链和H2链,其结构为:一小段单链,互补的双链和单链环(loop)部分。其中一小段单链的序列长度范围为4-18个碱基;单链环(loop)部分序列长度范围为:4-24个碱基。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(b)中形成的长链(L),无需利用酶等生物学放大手段,而是利用不同碱基互补自由能的不同,通过目标链的引发,利用溶液中的自由能的驱动自发形成一条双链(中间有小部分单链)的长链。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:利用熵驱动,通过目标链的引发,形成溶液中的核酸长链。长链的组成部分,不限于两种核酸,如:H1链和H2链,也可以为多种(3-9种)核酸分子彼此引发。其中一种引发形式为:T引发H1后,H1引发H2链,H2引发H3链,H3再引发H1链,形成T H1 H2 H3 H1 H2 H3 H1 H2 H3......的结构。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(c)中对H1链和H2链的一端或者两端直接进行荧光标记,方便以后的荧光检测。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(c)中对H1链和H2链的一端或者两端进行化合物或者蛋白质的标记,方便以后和荧光物质连接。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(d)中利用显微镜的手段对步骤(b)中形成的长链(L)进行检测和计数。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(d)中利用显微镜的手段对步骤(b)中形成的长链(L)进行检测和计数时,不利用标记的手段,而是利用荧光物质和双链核酸相互作用,如嵌插入双链之间等作用,长链(L)和H1链、H2链荧光强度的不同,实现荧光检测。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(d)中利用显微镜的手段对步骤(b)中形成的长链(L)进行检测时,利用软件进行荧光阈值的判断并进行长链(L)的计数。
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