CN104694655A - 基于dna链取代循环放大技术检测dna甲基转移酶活性的比色传感方法 - Google Patents

基于dna链取代循环放大技术检测dna甲基转移酶活性的比色传感方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DNA链取代循环放大技术检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法，设计能被CpG甲基转移酶M.SssI和HpaII限制性内切酶识别的颈部含有5'-CCGG-3'序列的发夹DNA I。根据发夹DNA I发生甲基化与否进而能否被HpaII剪切而导致AuNPs发生聚集变色的程度来判断是否存在M.SssI，通过比色法可实现M.SssI的灵敏检测。

Description

基于DNA链取代循环放大技术检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法
技术领域
本发明涉及一种基于DNA链取代循环放大技术检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法，属于比色传感技术领域。
背景技术
DNA甲基化在很多正常细胞的生长过程包括细胞分化、转录沉默、基因调控、X染色体失活和一些其它过程中扮演着非常重要的角色。不同的甲基转移酶会导致不同的异常DNA甲基化，DNA甲基化与很多基因疾病和癌症密切相关，使得DNA甲基转移酶成为多种癌症治疗的潜在靶向目标和生物标志物。在恶性肿瘤中，甲基转移酶活性的异常一般都比其它的现象先显现出来，因而可以用于癌症的早期诊断。所以，发展灵敏的甲基转移酶活性检测方法对癌症的诊断和治疗是非常必要的。DNA甲基转移酶活性检测的传统方法有放射性标记法、液相色谱/质谱法、高效毛细管电泳、荧光法、比色法、电化学法、电致化学发光法和化学发光法，但是，仍然存在放射性标记物污染、昂贵的抗体或荧光标记、大型的检测设备、样品准备和数据分析耗时费力等问题。因此，需要发展更简单灵敏的DNA甲基转移酶活性检测方法。
AuNPs有高的消光系数和强的尺寸依赖的表面等离子体共振（SPR）特性，其分散和团聚状态使得AuNPs溶液的颜色可由红色变成蓝色，此过程伴随着SPR特征的变化，因其颜色和吸光度变化明显，AuNPs成为设计比色传感平台的理想纳米材料。但是，AuNPs比色法的检测灵敏度较低，所以发展基于放大技术的AuNPs比色方法非常必要。DNA链取代反应发生在两链不等长的双链DNA和单链DNA之间，它们把立足点当做引发位置，使得DNA以“点对点”可控程序方式进行快速重组。这样的优势之一是由于取代反应发生在已经设计好的位置上，因此链取代的路线可以被预测。此外，参与反应的所有寡核苷酸序列都是已知的，所有可能出现的差错如链取代过程中的缺失、插入、或点突变等都能考虑进来，因此，可以预测动力学、热力学和置换反应的结果。然而，尚未见DNA链取代放大技术与AuNPs相结合用于检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法的报道。
发明内容
本发明的目的在于发展一种基于DNA链取代循环放大技术检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法，它具有检测灵敏和简单快速的优点。
本发明是这样实现的，一种基于DNA链取代循环放大技术检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）制备AuNPs：在圆底烧瓶中加入49 mL超纯水和1 mL质量百分浓度为2%的HAuCl4·3H2O溶液，加热使之沸腾后，加入1 mL质量百分浓度为5%的柠檬酸三钠溶液，持续搅拌并保持沸腾5分钟后，搅拌下使溶液自然冷却至室温，即制备成粒径13 nm且浓度为12 nM的AuNPs，在4 oC保存备用；
（2）制备AuNPs标记的探针DNA：将5.5 nM活化后的探针DNA加入到3 mL步骤（1）制备的AuNPs溶液中，室温下在摇床上震荡12小时，加入磷酸调节溶液中磷酸根的浓度为9 mM，30分钟后，加入磷酸盐缓冲溶液，在随后的两天内分六次继续加入磷酸盐缓冲溶液，使NaCl的最终浓度为0.3 mM，陈化过夜。在转速15000 rpm下离心15 min，去除上清液，将沉淀分散在三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中离心并清洗3次，去除未与Au NPs反应的探针DNA。将修饰好了的DNA-AuNPs分散在2 mL三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中，在4 oC冰箱中保存备用；
（3）比色传感方法：将20 μL的1×NEBuffer2缓冲溶液、80 μMS-腺苷甲硫氨酸（SAM）、40 nM发夹DNA I以及不同浓度的M.SssI混合，在37 °C水浴中反应5小时，使得发夹DNA I部分发生甲基化；将混合物在65 °C水浴中加热20分钟使M.SssI失活，再加入HpaII，在37 °C恒温水浴中反应2小时，将未发生甲基化的发夹DNA I剪切为单链DNA碎片；向溶液中加入发夹DNA II和探针DNA修饰的AuNPs，在37 °C水浴中反应90分钟，DNA碎片中的region I可与发夹DNA II杂交形成双链，DNA II进而与步骤（2）制备的AuNPs标记的两种探针DNA杂交，使得AuNPs被DNA II连接在一起，而取代出来的region I继续与发夹DNA II杂交进入下一个链替换循环，如此循环，使得大量AuNPs发生聚集，溶液颜色由红色变浅甚至变成蓝色；用三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液将反应液稀释到350 μL测定紫外吸收光谱；
（4）M.SssI活性检测：随着M.SssI浓度的增大，发生甲基化的发夹DNA I增多，不能被HpaII剪切的发夹DNA I增多，分散的AuNPs就多，使得吸光度逐渐增大，M.SssI浓度的对数在0.1-50U/mL范围内与吸光度呈良好的线性，检出限为0.04 U/mL。
上述步骤中，步骤（2）中，所述的磷酸盐缓冲溶液均为浓度10 mM、pH 7.0、含2 M NaCl。步骤（2）和步骤（3）中，所述的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液均为浓度为10 mM、pH为7.4，含50 mMNaCl。步骤（3）中，1×NEBuffer2缓冲溶液的组成为10 mM三羟甲基氨基甲烷盐酸盐、50 mMNaCl、10 mM MgCl2、1 mM二流苏糖醇，pH为7.9。步骤（3）中，所有的发夹DNA在使用前均在90 °C水浴中加热10分钟再冷却到室温，进行退火杂交。
本发明的技术效果是：本发明利用DNA链取代循环放大技术和金胶聚集变色原理，发展了一种用于检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法，此方法具有简单方便的可视化检测、DNA链取代放大检测信号、灵敏度高、检测限低和选择性好等特点。
附图说明
图1是基于DNA链取代循环放大技术检测M.SssI活性的原理图。
图2是(a) DNA1/1'-AuNPs+DNA I+M.SssI+HpaII，(b) DNA1/1'-AuNPs+ DNA I+HpaII，(c)DNA1/1'-AuNPs+DNA I+DNAII，(d)DNA1/1'-AuNPs+DNAI+M.SssI+HpaII+DNAII，(e) DNA1/1'-AuNPs+DNAI+M.SssI(失活)+HpaII+DNAII，(f) DNA1/1'-AuNPs+DNAI+HpaII+DNAII的紫外-可见吸收光谱图。
图3是在SAM+HpaII+DNAI+DNAII+DNA1/1'-AuNPs样品中，(A)存在M.SssI和(B)不存在M.SssI时AuNPs的TEM图。
图4是DNA链取代放大实验条件的优化：(A)DNAI浓度，(B) DNAI:DNAII，(C) SAM浓度，(D) HpaII浓度。
图5是(A)在DNA1/1'-AuNPs+DNAI+HpaII+DNAII溶液中加入M.SssI (0, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 80, 120 U/mL)时的紫外-可见吸收光谱图。(B) A/A0与M.SssI浓度的对应关系，内插图是A/A0与logCM.sssI的线性关系。
图6是比色传感方法的选择性。M.SssI和Dam甲基转移酶均为50 U/mL，对照样品中M.SssI的浓度为0 U/mL。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步阐述，本发明并不限于此；
实施例1
（1）制备AuNPs：在圆底烧瓶中加入49 mL超纯水和1 mL质量百分浓度为2%的HAuCl4·3H2O溶液，加热使之沸腾后，加入1 mL质量百分浓度为5%的柠檬酸三钠溶液，持续搅拌并保持沸腾5分钟后，搅拌下使溶液自然冷却至室温，即制备成粒径13 nm且浓度为12 nM的AuNPs，在4 oC保存备用；
（2）制备AuNPs标记的探针DNA：将5.5 nM活化后的探针DNA加入到3 mL步骤（1）制备的AuNPs溶液中，室温下在摇床上震荡12小时，加入磷酸调节溶液中磷酸根的浓度为9 mM，30分钟后，加入磷酸盐缓冲溶液，在随后的两天内分六次继续加入磷酸盐缓冲溶液，使NaCl的最终浓度为0.3 mM，陈化过夜。在转速15000 rpm下离心15 min，去除上清液，将沉淀分散在三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中离心并清洗3次，去除未与Au NPs反应的探针DNA。将修饰好了的DNA-AuNPs分散在2 mL三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中，在4 oC冰箱中保存备用；
（3）比色传感方法：将20 μL的1×NEBuffer2缓冲溶液、80 μM SAM、40 nM发夹DNA I以及不同浓度的M.SssI混合，在37 °C水浴中反应5小时，使得发夹DNA I部分发生甲基化；将混合物在65 °C水浴中加热20分钟使M.SssI失活，再加入HpaII，在37 °C恒温水浴中反应2小时，将未发生甲基化的发夹DNA I剪切为单链DNA碎片；向在溶液中加入发夹DNA II和探针DNA修饰的AuNPs，在37 °C水浴中反应90分钟，DNA碎片中的region I可与发夹DNA II杂交形成双链，DNA II进而与步骤（2）制备的AuNPs标记的两种探针DNA杂交，使得AuNPs被DNA II连接在一起，而取代出来的region I继续与发夹DNA II杂交进入下一个链替换循环，如此循环，使得大量AuNPs发生聚集，溶液颜色由红色变浅甚至变成蓝色。具体过程如图1所示。
由图2可见，当溶液中没有发夹DNA II（曲线a和b）或者没有剪切酶HpaII（曲线c）时，AuNPs溶液都为红色且吸光度较大，表明AuNPs处于分散状态。当溶液中存在M.SssI时（曲线d），甲基化了的DNA I不能被HpaII剪切，故AuNPs依然为分散状态，溶液为红色且吸光度较大。将溶液中的M.SssI失活处理（曲线e）或者溶液中不含M.SssI（曲线f）时，DNA I不能发生甲基化而被HpaII剪切为碎片，被剪切产物regionI与发夹DNA II杂交使其开环并形成region I/DNA II双链结构，而后，regionI被DNA1/1'探针从region I/DNA II双链结构中取代出来进入下一个循环，而AuNPs则通过DNA II与DNA1/1'探针的杂交连接起来，使得AuNPs发生聚集而吸收光谱蓝移且吸光度降低。
采用TEM表征DNA链取代诱导AuNPs的聚集情况。由图3可见，制备的AuNPs的直径约为13nm。当溶液中存在M.SssI时，发夹DNA I发生甲基化而不能被HpaII剪切，所以AuNPs呈分散状态（图3A）。当溶液中不存在M.SssI时，发夹DNA I不能发生甲基化而被HpaII剪切成单链DNA碎片，剪切出来的regionI进而与发夹DNA II杂交使其开环而引发AuNPs聚集（图3B）。
实施例2
M.SssI活性检测
（1）DNA I浓度、DNA I:DNA II、SAM浓度、HpaII浓度的优化
图4A为DNA I浓度对M.SssI活性检测的影响。由图可见，随着DNA I浓度的增加，无论有还是没有M.SssI时，AuNPs溶液的吸光度均呈现先减小再达到稳定的趋势。当DNA I浓度为40nM，吸光度差值（ΔA）达到最大。因此，选择DNA I的最佳浓度为40nM。图4B为DNA I与DNA II的比例对M.SssI活性检测的影响。本发明中，链取代放大效率在一定程度上依赖于DNA I与DNA II的比例(DNA I:DNA II)。固定DNA I浓度为40 nM，将DNA I:DNA II从1:1逐渐增大到1:5，当DNA I:DNA II为1:3时，有和没有M.SssI时的ΔA达到最大值。因此，选择DNA I:DNA II为1:3。图4C为SAM浓度对M.SssI活性检测的影响。由图可见，AuNPs溶液的吸光度随着SAM浓度的增加而增大，当SAM浓度超过80μM时，吸光度的变化趋于稳定。因此，选择SAM浓度80μM为最佳的甲基化反应浓度。图4D为HpaII浓度对M.SssI活性检测的影响。向DNA I+M.SssI+SAM+DNAII+DNA1/1'-AuNPs溶液中加入不同浓度的HpaII，ΔA随着HpaII浓度的增加而增大，达到40 U/mL后基本稳定。因此，选择HpaII的最佳浓度为40 U/mL。
（2）在最优实验条件下，采用DNA链取代循环放大技术和金胶聚集变色原理建立的比色传感方法对M.sssI的活性进行定量检测。由图5可见，吸光度随着M.sssI浓度的降低而下降，M.SssI浓度的对数logC在0.1-50 U/mL范围内与A/A0呈良好的线性，检出限为0.04 U/mL。
（3）选择性是评价检测方法性能的一个重要指标。Dam甲基转移酶可以甲基化5'-GATC-3'序列的对称四核苷酸上N6-腺嘌呤，所以，以Dam为干扰酶对本方法的选择性进行评价。由图6可见，经Dam甲基转移酶处理过的样品的吸光度值很低，这是因为Dam甲基转移酶不能甲基化CpG二核苷酸位点HpaII的识别序列5'-CCGG-3'，使得发夹DNA I被HpaII剪切而引发AuNPs聚集，与M.SssI浓度为0时所得结果相一致，表明本发明建立的比色传感方法对M.SssI活性检测具有良好的选择性。

Claims (7)

1.基于DNA链取代循环放大技术检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）制备AuNPs；
（2）制备AuNPs标记的探针DNA；
（3）比色传感方法：将20 μL的1×NEBuffer2缓冲溶液、80 μMS-腺苷甲硫氨酸、40 nM发夹DNA I以及不同浓度的M.SssI混合，在37 °C水浴中反应5小时，使得发夹DNA I部分发生甲基化；将混合物在65 °C水浴中加热20分钟使M.SssI失活，再加入HpaII，在37 °C恒温水浴中反应2小时，将未发生甲基化的发夹DNA I剪切为单链DNA碎片；向溶液中加入发夹DNA II和探针DNA修饰的AuNPs，在37 °C水浴中反应90分钟，DNA碎片中的region I可与发夹DNA II杂交形成双链，DNA II进而与步骤（2）制备的AuNPs标记的两种探针DNA杂交，使得AuNPs被DNA II连接在一起，而取代出来的region I继续与发夹DNA II杂交进入下一个链替换循环，如此循环，使得大量AuNPs发生聚集，溶液颜色由红色变浅甚至变成蓝色；用三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液将反应液稀释到350μL测定紫外吸收光谱；
（4）M.SssI活性检测：根据吸光度与M.SssI浓度的对数的线性关系判断M.SssI浓度。
2.根据权利要求1所述的基于DNA链取代循环放大技术检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法，其特征在于，AuNPs制备方法为：在圆底烧瓶中加入49 mL超纯水和1mL质量百分浓度为2%的HAuCl4·3H2O溶液，加热使之沸腾后，加入1mL质量百分浓度为5%的柠檬酸三钠溶液，持续搅拌并保持沸腾5分钟后，搅拌下使溶液自然冷却至室温，即制备成粒径13 nm且浓度为12 nM的AuNPs，在4oC保存备用。
3.根据权利要求2所述的基于DNA链取代循环放大技术检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法，其特征在于，AuNPs标记的探针DNA的制备过程为：将5.5 nM活化后的探针DNA加入到3 mL步骤（1）制备的AuNPs溶液中，室温下在摇床上震荡12小时，加入磷酸调节溶液中磷酸根的终浓度为9 mM，30分钟后，加入磷酸盐缓冲溶液，在随后的两天内分六次继续加入磷酸盐缓冲溶液，使NaCl的最终浓度为0.3 mM，陈化过夜；在转速15000 rpm下离心15 min，去除上清液，将沉淀分散在三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中离心并清洗3次，去除未与Au NPs反应的探针DNA。
4.将修饰好了的DNA-AuNPs分散在2 mL三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中，在4oC冰箱中保存备用
根据权利要求3所述的基于DNA链取代循环放大技术检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法，其特征在于步骤（2）中，所述的磷酸盐缓冲溶液均为浓度10 mM、pH 7.0、含2M NaCl。
5.根据权利要求3所述的基于DNA链取代循环放大技术检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法，其特征在于步骤（2）和步骤（3）中，所述的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液均为浓度为10 mM、pH为7.4，含50 mMNaCl。
6.根据权利要求1所述的基于DNA链取代循环放大技术检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法，其特征在于步骤（3）中，1×NEBuffer2缓冲溶液的组成为10 mM三羟甲基氨基甲烷盐酸盐、50 mMNaCl、10 mM MgCl2、1 mM二硫苏糖醇，pH为7.9。
7.根据权利要求1所述的基于DNA链取代循环放大技术检测DNA甲基转移酶活性的比色传感方法，其特征在于步骤（3）中，所有的发夹DNA在使用前均在90 °C水浴中加热10分钟再冷却到室温，进行退火杂交。
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