CN105802963B - 一种寡核苷酸探针 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核酸探针技术领域，提供了一种寡核苷酸探针。该探针从5’‑3’端依次由与靶序列互补的序列、G‑四链体封闭序列和G‑四链体序列组成。G‑四链体封闭序列与部分G‑四链体序列互补，形成稳定的发夹结构，将G‑四链体序列封闭在探针内部。进行靶分子检测时，探针首先识别靶序列并形成双链结构，随后在Lambda核酸外切酶的消化作用下，打开发夹结构、释放G‑四链体序列，循环往复，最终将微量靶分子信息转换为大量G‑四链体序列，再通过G‑四链体序列转换为可读的光、电等信号。该探针具有稳定性好、成本低廉、易制备、高通量、灵敏度和特异性高的优势，可实现单链核酸的直接检测，也能对可诱导产生单链核酸的双链核酸及其它分子进行间接检测。

Description

一种寡核苷酸探针
技术领域
本发明涉及核酸探针技术，具体涉及一种可以实现靶分子检测的寡核苷酸探针。
背景技术
寡核苷酸是一类仅有几十个碱基的短链核酸，因其固有的核酸互补杂交特性及简单、可操作性强的结构特点，常被标记一定的化学基团后用作核酸探针，将核酸信号转化为光学或电学等可读信号，是核酸检测和分析的有力工具，这类探针即为寡核苷酸探针。较早应用的探针标记方式主要为放射性同位素标记，但易造成放射性污染，且存在同位素半衰期短、不稳定、成本高、操作不便、难以实现商品化等问题。因此，近年来许多实验室都致力于非放射性标记探针的发展，包括各种荧光小分子、金属(如汞)、半抗原(如地高辛)、生物素和酶等，其中应用最为广泛的是荧光标记。尽管这些技术具有更高的安全性和稳定性，但依然需要通过化学手段进行标记，成本高昂、应用门槛高、难以大范围推广。
G-四链体是富含鸟嘌呤的核酸序列，四个鸟嘌呤碱基通过Hoogsteen氢键的作用形成一个平面正方形结构称为平面G-四分体，两个及更多的G-平面四分体结构堆积便可形成稳定的G-四链体空间结构。1996年，Dipankar Sen课题组通过体外筛选(SELEX)技术得到能与卟啉化合物特异识别的单链G-四链体序列，这类序列在一定溶液环境中可形成G-四链体空间结构与氯化血红素(Hemin)特异结合后，发挥较强的过氧化物酶活性，催化H2O2参与的氧化还原反应，可催化显色底物ABTS产生肉眼可识别的绿色颜色信号，催化化学发光底物鲁米诺分子产生化学发光信号，也可催化荧光前体分子如盐酸酪胺生成荧光底物后被激发产生荧光信号。此外，G-四链体还具有核酸适体的特性，可与荧光底物分子(如孔雀石绿、结晶紫等)作用后在特定波长的光激发下产生可检测的荧光信号。因此，这类G-四链体是一类典型的功能性核酸分子，可用于基因、小分子化合物、金属离子等的检测。
Lambda核酸外切酶是从感染了λ噬菌体的大肠杆菌细胞中纯化出来的，它具有5’-3’端外切酶活性，能降解双链核酸中5’-磷酸化的单链，从而释放另一条普通单链。
核酸探针分析技术正朝着灵敏快速、简便实用、经济有效的方向发展。在保证结果准确性的前提下，本发明结合G-四链体报告体系和Lambda核酸外切酶的作用，提供一种易制备、高稳定、高特异、低成本的寡核苷酸探针，能够与靶序列直接杂交并在室温条件下进行循环扩增，从而产生肉眼可视的颜色变化以及仪器可读的精确的光、电等信号，最终实现靶核酸的检测。
发明内容
本发明结合G-四链体报告体系和Lambda核酸外切酶的作用，提供一种易制备、高稳定、高特异、低成本的寡核苷酸探针，能够与靶序列直接杂交并进行等温循环扩增，从而产生肉眼可视的颜色变化以及仪器可读的精确的光、电等信号，最终实现靶核酸的检测。
本发明的技术方案如下：
探针的基本骨架是一段具有5’-粘性末端的DNA发夹序列，由5’-粘性末端、茎部和环部构成：5’-粘性末端为磷酸化标记序列，且能特异识别靶序列并通过碱基互补配对原则与之完全互补；茎部是由一段紧邻5’-粘性末端的G-四链体封闭序列和与之对应的位于探针3’-末端的G-四链体3’-端序列通过氢键形成的DNA双链区域；环部则为组成茎部的两段互补序列之间的一段DNA单链区域，也即G-四链体序列5’-端部分的序列。
本发明所涉及的引入到探针中的G-四链体序列是一种能与卟啉铁等结合并具有过氧化物酶活性的脱氧核酶分子，该序列在反应中释放后，在一定溶液环境中能形成稳定的活性空间结构，通过加入Hemin、显色底物(ABTS、DAB等)或者荧光前体物质盐酸酪胺、H2O2，即可产生光、电等可读信号。当显色底物为ABTS时，可在室温下得到直接用肉眼便可观察和区分的颜色变化或用分光光度计测量反应液在414nm波长下的吸光值来反映信号强度，不存在靶分子的样品表现为无色，存在靶分子的样品呈绿色并随靶分子浓度由低到高显示由浅到深的绿色；当产生信号的物质为盐酸酪胺时，激发后可产生荧光信号(λex＝320nm，λem＝410nm)：存在靶分子的样品有荧光信号，而不存在靶分子的样品则不产生荧光信号。G-四链体还可直接与锌原卟啉结合，激发后产生荧光信号(λex＝420nm，λem＝590nm)，同样可以作为靶分子检测的信号报告方式。此外，G-四链体还可与DAB、鲁米诺、孔雀石绿、结晶紫等众多化合物发生类似的信号转换反应，最终将放大的靶分子信号转换为肉眼或仪器可读的光、电、压力等信号，从而实现靶分子的检测。
本发明所述探针既可进行单链核酸的直接检测，也能对可诱导产生单链核酸的双链核酸及其它分子进行间接检测。
本发明所述探针进行单链核酸检测的原理：当样本中不含靶核酸时，探针将保持稳定的发夹结构，无检测信号产生；当样本中含靶核酸时，探针的5’-粘性末端可对靶核酸序列进行特异性识别并与之互补形成双链，双链结构中的探针序列在Lambda核酸外切酶作用下发生5’-3’方向的消化反应，直至发夹被打开并释放出G-四链体，随后，新的探针可再与靶核酸互补并发生相同的反应，如此循环往复，释放大量G-四链体序列，从而达到将微量靶核酸转换为放大的G-四链体信号的目的，实现靶核酸的等温扩增和信号转换。
本发明所述探针进行双链核酸检测的原理：检测双链核酸时，先通过一段普通引物、一段5’-磷酸化标记的引物及聚合酶链式反应(PCR)获得大量含5’-磷酸化单链的双链扩增产物；再在PCR扩增产物中加入根据5’-磷酸化单链的互补链设计的探针和Lambda核酸外切酶；Lambda核酸外切酶首先消化PCR双链产物中5’-磷酸化标记的单链，释放出可与探针5’-端粘性末端互补的单链DNA，随后探针识别释放出的单链DNA并互补形成双链区域，从而发生同单链检测体系相同的反应，将微量靶核酸转换为放大的G-四链体信号，最终实现双链核酸的等温扩增和信号转化。本发明所述探针的茎部起到了牢牢封闭G-四链体序列并稳定发夹结构的重要作用，使G-四链体在无靶分子存在时不能在溶液中形成空间二级结构，从而避免背景信号的产生。
本发明所述探针的茎部互补序列需大于10个碱基对；探针与靶核酸互补序列也需大于10个碱基对。
本发明所述探针对靶分子进行检测时，在检测体系中加入一定浓度的钠离子(50-200mM)，有利于发夹封闭序列更好的封闭G-四链体，形成稳定的双链结构，避免背景信号对检测结果判断造成干扰。
本发明所述探针在室温条件下即可完成对靶分子的扩增和信号报告。
表1.与卟啉铁等结合具有过氧化物酶活性的几个代表性G-四链体序列的名称及序列
名称 DNA序列
T30695 GGGTGGGTGGGTGGGT
PW17 GGGTAGGGCGGGTTGGG
PS2.M GTGGGTAGGGCGGGTTGG
CatG4 TGGGTAGGGCGGGTTGGGAAA
PS5.M GTGGGTCATTGTGGGTGGGTGTGG
表2.部分显色底物中英文全称
如本文所用，除另外特殊说明，下列词语/术语具有下列含义。
“DNA”：脱氧核糖核酸，是一类带有遗传信息的生物大分子，由4种主要的脱氧核糖核苷酸通过3′,5′-磷酸二酯键连接而成，是遗传信息的载体。
“寡核苷酸”：小分子核酸，由核苷酸通过3′，5′-磷酸二酯键连接而成。
“SELEX”：systematic evolution of ligands by exponential enrichment，指数级富集的配体系统进化技术，SELEX方法是由Tuerk和Ellington等在1990年建立的从大量随机序列的寡核苷酸库中鉴定出一种数量很少的具有独特性质的核酸序列的方法。SELEX过程中，首先是用组合化学合成DNA的方法合成随机序列的核酸库，然后在一定的温度下将寡核苷酸随机序列库与靶分子共同孵育于特定的缓冲液中，组合库中的极少数分子将与靶分子结合，然后用物理的方法将结合的分子与未结合的分子分离开来。
“发夹结构/发夹序列”：本发明所述发夹结构或发夹序列是指一段由粘性末端、茎部序列和环部序列组成的像发夹状的寡核苷酸序列。
“靶序列/靶核酸”：与本发明的探针特异结合或能通过其他过程产生与本发明的探针特异结合的待检核酸分子。
“靶分子”：可被本发明所述探针特异识别并检测的单链核酸以及能够诱导产生这类单链核酸的双链核酸及其它分子。
“G-四链体序列”：一段富含鸟嘌呤(G)的高度有序的DNA或RNA序列。
“Hemin”：血红素，即卟啉铁。
“Lambda核酸外切酶”：一种具有高持续能力的5’-3’外切脱氧核糖核酸酶，选择性切割双链DNA中的5’-端磷酸化的DNA序列，该酶对单链DNA和未磷酸化DNA的活性较低、对含有切口的DNA无活性、对缺口的DNA活性有限。
“脱氧核酶”：又称DNAzyme,deoxyribozyme,catalytic DNA，是人工合成的、利用体外分子进化技术筛选的一种具有催化功能的单链DNA片段，具有高效的催化活性和结构识别能力，能与小分子化合物、金属离子等结合发挥类似于蛋白酶的活性功能。
“核酸适体”：一些经体外筛选技术(in vitro selection，SELEX)筛选出来的可与目标分子高特异性、高亲合力结合的单链寡核苷酸片段，一般由25-80个碱基组成，可以是DNA也可以是RNA序列，相应的配体可以是无机离子、小分子、多肽、蛋白质、药物甚至整个细胞。
本发明所公开的探针关键在于结合G-四链体报告分子与Lambda核酸外切酶的作用，通过与靶分子特异识别结合形成双链，再由Lambda核酸外切酶消化，从而释放G-四链体，循环往复，最终完成对靶分子的等温扩增并通过检测G-四链体报告信号来直接或间接对靶分子进行定性或定量分析。该探针稳定、简单易制备、经济实用、适用范围广，可以用于各种基因检测体系，特别是对于某些疾病早期检测和遗传分析等有很高的实用价值。本发明在现有探针技术发展过程中，主要体现出以下几个突出的优点：
1.通用。本发明的寡核苷酸探针，针对不同样品中的待检核酸序列，只需改变探针5’-端粘性末端序列，即与靶序列互补的特异序列，便可用于各种基因检测体系。
2.经济。现有的荧光、同位素标记的探针，其制备和试剂以及检测仪器的费用都较高，而本发明的探针序列和报告分子都仅由普通的核苷酸组成，制备简单，不依赖特殊检测设备，操作容易，检测成本较低。
3.实用。本发明的探针用于核酸检测时，不依赖特殊、昂贵的检测仪器，操作简单，在室温下便能实现目标分子的等温扩增及可视化检测，既可检测单链核酸也能实现对双链核酸的检测，在对真实样品的检测分析中具有很大的实用价值。
附图说明
图1是本发明的探针结构示意图。a表示探针5’-粘性末端部分，是与靶分子互补结合的区域，b1、b2为茎部，c为环部，c和b2部分即引入探针中的G-四链体序列。
图2是本发明的探针检测单链核酸的原理示意图。
图3是本发明的探针检测双链核酸的原理示意图。
图4是具体实施例2的显色结果图。1-不加T1，2-T1的浓度为0.3uM。
图5是具体实施例2的显色吸收值测定结果。a-T1的浓度为0.3uM，b-不加T1。
图6是具体实施例3的琼脂糖凝胶电泳结果及显色结果图。1-不加T1，2-0.1nM T1，3-不加T1，4-0.1nM T1。
图7是具体实施例3的显色吸收值测定结果。a-0.1nM T1，d-不加T1。
具体实施方式
下面结合附图，通过实例进一步说明本发明。本领域的技术人员应理解，这些实例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
实施例1、参照附图1，针对一人工合成的靶核酸分子进行PCR引物和探针设计。
人工合成的靶序列T1：
5’-TTAGTTAATCGGCGGGTTTTCGACGGGAAT -3’
前引物(T1-F)：
5’-P-AAATACGAACCAAAACGCTCCCC-3’
后引物(T1-R)：
5’-TTATATGTCGGTTACGTGCGTTTATAT-3’
探针(P1)：
5’-P-ATTCCCGTCGAAAACCCGCCG AA AAA-3’
前引物(T1-F)对应于模板(T1)中黑体的部分，后引物(T1-R)与T1的斜体部分对应，探针(P1)的结构由与模板序列互补配对的序列(下划线标注，附图1-a)，茎部序列(黑框标注，附图1-b1、b2)，环部序列(两黑框标注之间的部分，附图1-c)三个部分组成，其中斜体加粗部分为本探针所引入的能与卟啉铁等结合并具有过氧化物酶活性的G-四链体序列。
实施例2、单链靶核酸检测示例
运用实施例1中所设计的探针对单链靶核酸T1进行检测。
参照附图2所示的单链DNA检测原理，向25ul显色反应体系中依次加入2.5ul 10×Taq buffer，0.3uM T1，1μM P1，108mM NaCl溶液，再加入1ul Lambda酶，37℃消化30min，最后分别加入1uM Hemin，2mM ABTS，1mM H2O2。一个阴性对照为：不含T1的体系。肉眼观察颜色变化或用酶标仪测定波长为414nm处的吸收值。显色结果如附图4所示，体系中不含T1时，无肉眼可见的颜色信号产生，体系中存在T1则可观察到反应液呈现明显绿色。附图5为显色吸收值测定结果，T1浓度为0.3uM时，用酶标仪在414nm下测得的吸收值是阴性对照(不含T1)的6倍左右。
实施例3、双链靶核酸检测示例
以T1为模板进行PCR形成双链核酸，运用实施例1中所设计的引物和探针对PCR双链核酸产物进行检测。
参照附图3所示的双链DNA检测原理，首先取微量T1进行普通PCR，获得大量含有5’-磷酸化的T1互补链的双链产物，然后向PCR体系中加入探针与Lambda酶，消化释放G-四链体报告分子，最终由显色反应对结果进行显示。
(1)PCR反应体系及反应条件
PCR条件是：94℃预变性2min；94℃变性30s，60℃复性45s，72℃延伸45s，12个循环。
一个阴性对照为：不含T1的体系。
(2)ABTS显色检测
取40ul PCR产物，加入1μM P1，1μl 10×Taq buffer，108mM NaCl溶液，超纯水补足到50ul体系，加入1ul Lambda酶，37℃消化1.5h，最后依次加入1uM Hemin，2mM ABTS，1mMH2O2，肉眼观察颜色变化或用酶标仪测定波长为414nm处的吸收值。
(3)检测结果
如附图6(左)琼脂糖凝胶电泳结果所示，当体系中不含T1时，无PCR产物生成，体系中若存在T1，经过PCR则出现明显产物条带；从附图6(右)中PCR产物的显色结果可见，存在双链产物的显色体系显绿色，不含双链产物的体系呈现无色，颜色差别较明显。附图7为PCR产物的显色吸收值测定结果，含双链产物的体系在414nm处得到的吸收值是不含双链的体系的7倍左右。

Claims (5)

1.一种寡核苷酸探针，其特征是：所述探针的基本骨架是一段具有5’-粘性末端的DNA发夹序列，由5’-端粘性末端、茎部和环部构成；5’-粘性末端为磷酸化标记序列，且能特异识别靶核酸序列并与之互补；茎部是由一段紧邻5’-粘性末端的G-四链体封闭序列和与之对应的位于探针3’-末端的G-四链体3’-端序列通过氢键形成的DNA双链区域；环部则为组成茎部的两段互补序列之间的一段DNA单链区域，也即G-四链体序列5’-端部分的序列；既可进行单链核酸的直接检测，也能对可诱导产生单链核酸的双链核酸及其它分子进行间接检测。
2.根据权利要求1所述的寡核苷酸探针，其特征是：探针中封闭的G-四链体序列是一种能与卟啉铁等结合发挥过氧化物酶活性的脱氧核酶分子，也是能够与锌原卟啉等结合直接发生光学特性变化的核酸适体分子，均能产生光、电等信号的变化，从而实现对靶分子的信号报告。
3.根据权利要求1所述的寡核苷酸探针，其特征是：茎部互补序列需大于10个碱基对；探针与靶核酸互补序列也需大于10个碱对。
4.根据权利要求1所述的寡核苷酸探针，其特征是：用于靶分子的检测时，在检测体系中加入50-200mM的钠离子，有利于发夹封闭序列更好的封闭G-四链体，形成稳定的双链结构，避免背景信号对检测结果判断造成干扰。
5.根据权利要求1所述的寡核苷酸探针，其特征是：在室温条件下即可完成对靶分子的扩增和信号报告。
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