CN110951831A - 一种基于核酸识别诱导的荧光生物传感器及应用 - Google Patents

一种基于核酸识别诱导的荧光生物传感器及应用 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种基于核酸识别诱导的荧光生物传感器及应用,由金纳米颗粒、识别序列和n种信号探针组成,识别序列为单链DNA,金纳米颗粒表面连接若干识别序列的一端,信号探针为一端连接荧光基团的单链DNA,每种信号探针的荧光基团均不相同,信号探针的单链DNA序列由第一DNA序列和第二DNA序列组成,荧光基团与第二DNA序列连接,每条与金纳米颗粒连接的识别序列均与n种信号探针的第一DNA序列杂交,识别序列与miRNA‑155互补,且识别序列与miRNA‑155杂交后,不仅使得识别序列3'端变为能够被核酸外切酶III识别并水解的平末端,而且使得n种信号探针均与识别序列解链;其中,n为大于1的自然数。

Description

一种基于核酸识别诱导的荧光生物传感器及应用
技术领域
本公开属于生物检测技术领域,涉及miRNA-155的检测方法,具体涉及一种基于核酸识别诱导的荧光生物传感器及应用。
背景技术
这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息,而不必然构成现有技术。
微小RNA(miRNA),作为一类含有18~25个核苷酸的内源性非编码核糖核酸,在细胞增殖,基因表达和代谢等生理和病理过程中发挥重要作用。许多研究表明,miRNA的异常表达与许多人类疾病密切相关,尤其是癌症的发展。有证据表明,血液或细胞样本中miRNA-155的异常激活会受到癌症的影响。miRNA-155有望成为癌症早期诊断和治疗的生物标志物。
据本公开发明人研究了解,到目前为止,已经开发出许多用于检测miRNA的传统方法,例如逆转录聚合酶链反应(RTPCR)、微阵列和Northern印迹。尽管已经证明这些方法具有良好的灵敏度和选择性,但经过本公开发明人研究发现,这些检测miRNA的方法,速度慢、成本较高,从而影响、限制其推广应用。荧光检测方法因其低成本、操作简单和良好的重现性等优点,可以解决这些速度慢、成本较高等问题,然而经过本公开发明人进一步研究发现,采用荧光检测方法存在灵敏度低、准确度低等问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足,本公开的目的是提供一种基于核酸识别诱导的荧光生物传感器及应用,不仅操作简单、成本低,而且具有灵敏度高、准确度高等优点。
为了实现上述目的,本公开技术方案为:
一方面,一种基于核酸识别诱导的荧光生物传感器,由金纳米颗粒、识别序列和n种信号探针组成,识别序列为单链DNA,金纳米颗粒表面连接若干识别序列的一端,信号探针为一端连接荧光基团的单链DNA,每种信号探针的荧光基团均不相同,信号探针的单链DNA序列由第一DNA序列和第二DNA序列组成,荧光基团与第二DNA序列连接,每条与金纳米颗粒连接的识别序列均与n种信号探针的第一DNA序列杂交,所述识别序列与miRNA-155互补,且识别序列与miRNA-155杂交后,不仅使得识别序列3'端变为能够被核酸外切酶III识别并水解的平末端,而且使得n种信号探针均与识别序列解链;其中,n为大于1的自然数。
本公开基于金纳米颗粒构建荧光生物传感器,其表面连接miRNA-155的识别序列及与该识别序列部分互补的多种信号探针,在不存在目标物时,金纳米颗粒使得荧光猝灭。当存在miRNA-155时,miRNA-155与识别序列杂交结合,使得多种信号探针从金纳米颗粒表面解离,从而使荧光恢复,同时,miRNA-155与识别序列杂交结合后,识别序列的3'端形成平或凹末端,能够被核酸外切酶III识别并水解,释放miRNA-155,再与其他识别序列杂交结合,增强荧光信号的强度,起到信号放大的作用,实现miRNA-155的高灵敏度的检测。另外,本公开设置n种信号探针,通过多种信号探针中荧光基团的荧光分子信号强度的变化,实现miRNA-155的准确检测。
另一方面,一种上述基于核酸识别诱导的荧光生物传感器在检测miRNA-155中的应用。
第三方面,一种检测miRNA-155的试剂盒,包括上述基于核酸识别诱导的荧光生物传感器、核酸外切酶III。
第四方面,一种检测miRNA-155的方法,提供上述基于核酸识别诱导的荧光生物传感器或检测miRNA-155的试剂盒,将基于核酸识别诱导的荧光生物传感器与待测溶液混合,加入核酸外切酶III,孵育后,进行荧光检测。
本公开的有益效果为:
1.本公开提供了一种用于检测miRNA-155的荧光生物传感器,该荧光生物传感器基于核酸识别诱导多DNA释放和酶辅助靶循环扩增来实现信号放大策略,以增强检测的灵敏度。
2.本公开提供的荧光生物传感器中设置多种荧光分子,通过多种荧光分子强度的变化,能够免检测结果的偶然性,提高检测的准确度。
3.本公开荧光生物传感器中的多种荧光分子能够产生协同作用,进一步增加检测miRNA-155的灵敏度,其检出限低至0.33pM。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解,本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开,并不构成对本公开的不当限定。
图1为本发明实施例的检测原理图;
图2为金纳米颗粒的透射电镜表征图;
图3为本发明实施例的ΔF和ΔF′分别与目标物浓度的线性关系曲线。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
鉴于荧光检测方法检测miRNA-155存在灵敏度低、准确度低等问题,本公开提出了一种基于核酸识别诱导的荧光生物传感器及应用。
本公开的一种典型实施方式,提供了一种基于核酸识别诱导的荧光生物传感器,由金纳米颗粒、识别序列和n种信号探针组成,识别序列为单链DNA,金纳米颗粒表面连接若干识别序列的一端,信号探针为一端连接荧光基团的单链DNA,每种信号探针的荧光基团均不相同,信号探针的单链DNA序列由第一DNA序列和第二DNA序列组成,荧光基团与第二DNA序列连接,每条与金纳米颗粒连接的识别序列均与n种信号探针的第一DNA序列杂交,所述识别序列与miRNA-155互补,且识别序列与miRNA-155杂交后,不仅使得识别序列3'端变为能够被核酸外切酶III识别并水解的平末端,而且使得n种信号探针均与识别序列解链;其中,n为大于1的自然数。
本公开基于金纳米颗粒构建荧光生物传感器,其表面连接miRNA-155的识别序列及与该识别序列部分互补的多种信号探针,在不存在目标物时,金纳米颗粒使得荧光猝灭。当存在miRNA-155时,miRNA-155与识别序列杂交结合,使得多种信号探针从金纳米颗粒表面解离,从而使荧光恢复,同时,miRNA-155与识别序列杂交结合后,识别序列的3'端形成平或凹末端,能够被核酸外切酶III识别并水解,释放miRNA-155,再与其他识别序列杂交结合,增强荧光信号的强度,起到信号放大的作用,实现miRNA-155的高灵敏度的检测。另外,本公开设置n种信号探针,通过多种信号探针中荧光基团的荧光分子信号强度的变化,实现miRNA-155的准确检测。
该实施方式的一种或多种实施例中,所述n为2。
该系列实施例中,一种荧光基团为Cy3,另一种荧光基团为Cy5。Cy3和Cy5是最常用的荧光基团,具有荧光强度高,毒性低,价格相对便宜等优点。
该实施方式的一种或多种实施例中,识别序列通过巯基与金纳米颗粒连接。
该实施方式的一种或多种实施例中,制备方法为:将金纳米颗粒与巯基修饰的识别序列混合后进行第一次孵育,使识别序列连接在金纳米颗粒表面,然后加入n种信号探针进行第二次孵育,使得每条与金纳米颗粒连接的识别序列均与n种信号探针的第一DNA序列杂交。
该系列实施例中,孵育的温度为体温。本公开所述的体温为人体温度,一般为36.2~37.2℃。
该系列实施例中,加入信号探针进行孵育前,采用牛血清白蛋白(BSA)进行处理,减少非特异性吸附。
该系列实施例中,采用牛血清白蛋白(BSA)进行处理的过程为:将第一次孵育后的产物分散至含有牛血清白蛋白、NaCl、吐温-20的磷酸盐缓冲溶液(PBS)中进行处理。
该系列实施例中,采用牛血清白蛋白(BSA)进行处理的温度为体温,时间为0.5~1.5h。
本公开的另一种实施方式,提供了一种上述基于核酸识别诱导的荧光生物传感器在检测miRNA-155中的应用。
本公开的第三种实施方式,提供了一种检测miRNA-155的试剂盒,包括上述基于核酸识别诱导的荧光生物传感器、核酸外切酶III。
本公开的第四种实施方式,提供了一种检测miRNA-155的方法,提供上述基于核酸识别诱导的荧光生物传感器或检测miRNA-155的试剂盒,将基于核酸识别诱导的荧光生物传感器与待测溶液混合,加入核酸外切酶III,孵育后,进行荧光检测。
该实施方式的一种或多种实施例中,孵育温度为体温,孵育时间为90~120min。
本公开检测检测miRNA-155的原理如图1所示,基于金纳米颗粒构建荧光探针,其表面连接有miRNA-155的识别序列以及两个与该序列部分碱基互补的信号探针(分别用荧光分子Cy3和Cy5修饰)。在不存在目标物时,金纳米颗粒会使荧光猝灭。在存在目标物的情况下,识别序列会识别目标物并与之结合,两个寡核苷酸也因此会从金纳米颗粒表面解离,荧光恢复。因此,可以根据荧光强度的变化对不同浓度的miRNA-155进行定量检测。同时,核酸外切酶III(Exo III)可以选择性地将双链体DNA的3'-羟基平或凹末端水解为单核苷酸,它对单链DNA或具有突出的3'末端的双链DNA具有弱的能力。Exo III会辅助靶的再循环,从而促使多寡核苷酸的释放,增强荧光信号的强度,起到信号放大的作用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案,以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。
实施例1
基于金纳米颗粒荧光探针(基于核酸识别诱导的荧光生物传感器)的制备:
取1mL金纳米溶液(1mM,金纳米的形貌如图2所示)于离心管中,并向其中加入20μL浓度为100μM的巯基修饰的识别序列cDNA,然后将所得混合溶液在37℃下温和搅拌反应12h。为了减少非特异性吸附,将cDNA-金纳米复合物分散在含有3%BSA,0.1M NaCl和0.02%吐温-20的200μL0.1MPBS(pH7.4)中,在37℃下保持1h,然后用PBS缓冲液(0.1M,pH7.4)洗涤3次,并再分散于200μLPBS缓冲液(0.1M,pH7.4)中。接下来,将50μL两种寡核苷酸(信号探针)M1、M2(各100μM)加入上述溶液中,并在37℃下反应2h。用PBS缓冲液(0.1M,pH7.4)洗涤三次后,将得到的复合物置于200μLPBS缓冲液(0.1M,pH7.4)。
miRNA-155的检测:
首先,取5μL上述溶液进行荧光强度的测定,得到的两个峰强度(Cy3和Cy5的荧光强度)分别记为F1、F1′。之后,将一定浓度(1fM、10fM、100fM、1pM、10pM、100pM、1nM、10nM、100nM、1μM)的miRNA-155与5μL的上述溶液混合,然后用PBS缓冲液(0.1M,pH7.4)将混合物稀释至10μL。将溶液充分混合后,加入2μL ExoIII(6U/μL),将混合物在37℃下保温100min,进行目标识别反应和消化反应,使得两种寡核苷酸得到充分释放。最后,对充分释放之后得到的溶液进行荧光强度测定,得到的两个峰强度(Cy3和Cy5的荧光强度)分别记为F2、F2′。
cDNA的序列为:SH-(CH2)6-ACC CCT ATC ACG ATT AGC ATT AA,见SEQ ID NO.1。
M1的序列为:ATC GTG AAC CTA TGA TAG G-Cy3,见SEQ ID NO.2。
M2的序列为:ATC GTG AAC CTA ATG CTA A-Cy5,见SEQ ID NO.3。
结果与讨论:
目标物加入之前荧光猝灭,检测到Cy3和Cy5的荧光强度分别记为F1、F1′。目标物加入之后荧光恢复,检测到Cy3和Cy5的荧光强度分别记为F2、F2′。目标物存在前后Cy3和Cy5的荧光强度的变化值分别为ΔF=F1-F2和ΔF′=F1′-F2′。目标物的浓度越高,ΔF和ΔF′的值也会越大。因此,可以根据ΔF和ΔF′分别与目标物浓度的线性关系进行定量检测,如图3所示。
结论:
本公开建立了一种高灵敏度高准确性的荧光生物传感器用miRNA-155的检测。该传感器基于核酸识别诱导多DNA释放和酶辅助靶循环扩增来实现信号放大策略,以增强检测的灵敏度。同时,该检测中涉及了两种荧光分子强度的变化,能避免检测结果的偶然性,提高检测的准确度。本公开实施例中的检测方法的检测限为0.33pM,与之前报道的方法相比具有相对较低的检测限。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已,并不用于限制本公开,对于本领域的技术人员来说,本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
SEQUENCE LISTING
<110> 青岛大学
<120> 一种基于核酸识别诱导的荧光生物传感器及应用
<130>
<160> 3
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 23
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 1
acccctatca cgattagcat taa 23
<210> 2
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<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 2
atcgtgaacc tatgatagg 19
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<211> 19
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 3
atcgtgaacc taatgctaa 19

Claims (10)

1.一种基于核酸识别诱导的荧光生物传感器,其特征是,由金纳米颗粒、识别序列和n种信号探针组成,识别序列为单链DNA,金纳米颗粒表面连接若干识别序列的一端,信号探针为一端连接荧光基团的单链DNA,每种信号探针的荧光基团均不相同,信号探针的单链DNA序列由第一DNA序列和第二DNA序列组成,荧光基团与第二DNA序列连接,每条与金纳米颗粒连接的识别序列均与n种信号探针的第一DNA序列杂交,所述识别序列与miRNA-155互补,且识别序列与miRNA-155杂交后,不仅使得识别序列3'端变为能够被核酸外切酶III识别并水解的平末端,而且使得n种信号探针均与识别序列解链;其中,n为大于1的自然数。
2.如权利要求1所述的基于核酸识别诱导的荧光生物传感器,其特征是,所述n为2;
优选的,一种荧光基团为Cy3,另一种荧光基团为Cy5。
3.如权利要求1所述的基于核酸识别诱导的荧光生物传感器,其特征是,识别序列通过巯基与金纳米颗粒连接。
4.如权利要求1所述的基于核酸识别诱导的荧光生物传感器,其特征是,制备方法为:将金纳米颗粒与巯基修饰的识别序列混合后进行第一次孵育,使识别序列连接在金纳米颗粒表面,然后加入n种信号探针进行第二次孵育,使得每条与金纳米颗粒连接的识别序列均与n种信号探针的第一DNA序列杂交。
5.如权利要求4所述的基于核酸识别诱导的荧光生物传感器,其特征是,孵育的温度为体温。
6.如权利要求4所述的基于核酸识别诱导的荧光生物传感器,其特征是,加入信号探针进行孵育前,采用牛血清白蛋白进行处理,减少非特异性吸附;
优选的,采用牛血清白蛋白;进行处理的过程为:将第一次孵育后的产物分散至含有牛血清白蛋白、NaCl、吐温-20的磷酸盐缓冲溶液;中进行处理;
优选的,采用牛血清白蛋白;进行处理的温度为体温,时间为0.5~1.5h。
7.一种权利要求1~6任一所述的基于核酸识别诱导的荧光生物传感器在检测miRNA-155中的应用。
8.一种检测miRNA-155的试剂盒,其特征是,包括权利要求1~6任一所述的基于核酸识别诱导的荧光生物传感器、核酸外切酶III。
9.一种检测miRNA-155的方法,其特征是,提供权利要求1~6任一所述的基于核酸识别诱导的荧光生物传感器或权利要求8所述的检测miRNA-155的试剂盒,将基于核酸识别诱导的荧光生物传感器与待测溶液混合,加入核酸外切酶III,孵育后,进行荧光检测。
10.如权利要求9所述的检测miRNA-155的方法,其特征是,孵育温度为体温,孵育时间为90~120min。
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