CN117187440A - 基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测用组合物、试剂盒和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医用生物化学分子诊断领域,涉及一种基于TtAgo的SARS‑CoV‑2病毒核酸等温扩增一锅法检测用组合物、试剂盒和检测方法。本发明创新性地将TtAgo分析与RT‑/LAMP扩增整合成单/闭管检测,样本经核酸提取或者裂解处理后加入反应管中进行扩增检测,便可实现1小时内最低检测下限100拷贝数/反应的检测。结果准确、价格低廉、反应快速,可用于SARS‑CoV‑2病毒即时现场检测。
Description
技术领域
本发明属于医用生物化学分子诊断领域,具体涉及一种基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测用组合物、试剂盒和检测方法。
背景技术
实时荧光PCR(Real-time fluorescence PCR)法是当下检测SARS-CoV-2病毒等传染性病原体的一种临床标准。从临床应用效果看,核酸诊断试剂盒比常规基因组测序分析具有成本和时间上的优势,但因其多基于荧光PCR方法,仍然还存在检测时间较长(2小时左右)、价格高(200元/次)、设备昂贵(Q-PCR仪器30-60万元),及操作人员专业要求高等问题,因此,开发新型传染病的诊断新技术,实现病原体的准确、快速检测对疾病的诊治和控制具有重要的意义。
逆转录LAMP核酸扩增技术的原理:逆转录LAMP即逆转录和Loop MediatedIsothermal Amplification(环介导等温扩增)的结合,专门用于快速扩增RNA。LAMP是2000年出现的一种新颖的等温核酸扩增方法。它利用4或6条模板专一的特异引物和具有链置换能力的DNA聚合酶,在等温条件下(60~65℃左右)15-60分钟完成扩增。该技术在灵敏度、特异性和检测范围等指标上能媲美甚至优于逆转录PCR技术,同时还不需要模板的热变性、温度循环、电泳及紫外观察等过程,不依赖任何专门的仪器设备。目前已成功应用于人类及动植物、细菌、病毒、寄生虫、真菌等病原体的快速检测。逆转录LAMP法(逆转录环介导等温扩增法)也应用到了SARS-CoV-2病毒核酸检测中。但逆转录LAMP法检测新型冠状病毒还存在假阳性高、可靠性差等问题。
近年来迅速发展的CRISPR诊断技术因其灵敏特异、有着良好的即时现场诊断应用潜力而备受广泛关注。但是基于CRISPR系统的核酸检测技术也仍存在许多限制因素,例如CRISPR对检测基因序列的限制、多重检测难以实现、向导RNA设计相对复杂且合成价格昂贵等,仍然成为其进入市场的限制。而Argonaute是一种通过DNA干扰参与宿主防御的具有核酸内切酶功能的蛋白质,广泛存在于真核、原核以及古生菌中,目前已被公认为是一系列生物技术应用的合适候选物。与CRISPR/Cas系统不同,Agos系统的检测不需要特定的候选识别位点的毗邻基序,即PAM序列,不受任何靶序列限制。另外,Agos可以利用5’-磷酸化的短/单链DNA作为向导(guide),与RNA相比,DNA更容易合成,在使用过程中也更稳定。例如,一种NAVIGATER方法(通过嗜热栖热菌DNA向导的Argonaute进行核酸富集),可以基于TtAgo技术以单核苷酸的精度特异性切割与向导DNA互补的DNA和RNA,从而提高下游检测方法如PCR和测序的灵敏度。然而,迄今为止报道的所有基于pAgo的方法要么将pAgo介导的切割与后续步骤分开,要么需要热循环仪器以实现扩增。因此,仍然有必要建立等温扩增一锅检测法,以进一步探索pAgos在诊断领域的潜力。
TtAgo是一种典型的向导DNA引导的核酸内切酶,在不需要PAM的情况下靶向同源单链DNA,从靶标双链DNA的5’端切割第10和第11碱基之间的磷酸二酯键。同时,TtAgo在较广的温度范围内(65~85℃)和多种反应buffer中均具有较高的活性,与RT-/LAMP反应表现出一定的兼容性。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于基于TtAgo技术构建一种与RT-/LAMP等温扩增相结合的一锅检测方法,该方法操作简便,通过样本基因组提取后直接加入单管反应液中进行闭管反应,实时收集荧光或者读取终点荧光强度从而判定结果(图1),结果准确、价格低廉、反应快速,可用于SARS-CoV-2病毒即时现场检测。
本发明的目的是通过如下技术方案来实现的:
一种基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测用组合物,其包括三条向导DNA、一条荧光报告探针、一对外引物、一对内引物及一对环引物;
其中,所述向导DNA序列为:
gDNA1:5’-pTTTTCTTGAACTGTTGaa-3’,
gDNA2:5’-pTACTGCTGCCTGGAGTaa-3’,
gDNA3:5’-pTTCGCAACAGTTCAAGtt-3’;
所述荧光报告探针序列为:
ssDNA-FQ:5’-FAM-CCTGGAGTTGAATTTCTTGAA-BHQ1-3’;
所述外引物序列为:
F3:5’-GCCAAAAGGCTTCTACGCA-3’,
B3:5’-TTGCTCTCAAGCTGGTTCAA-3’;
所述内引物序列为:
FIP:5’-TCCCCTACTGCTGCCTGGAG-GCAGTCAAGCCTCTTCTCG-3’,
BIP:5’-TCTCCTGCTAGAATGGCTGGCA-TCTGTCAAGCAGCAGCAAAG-3’;
所述环引物序列为:
LF:5’-GCGACTACGTGATGAGGAA-3’,
LB:5’-GGCGGTGATGCTGCTCTT-3’。
上述一种组合物在制备基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测用试剂盒中的应用。
一种基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测用试剂盒,其包含上述的组合物。
进一步的,上述试剂盒还包括Reaction Buffer、MgSO4、dNTP、TtAgo酶及Bst 2.0WarmStart DNA聚合酶。
一种非疾病诊断治疗目的的核酸检测方法,其是利用上述的试剂盒进行基于TtAgo的核酸等温扩增一锅法反应,以检测所述核酸;其中,所述核酸为病毒核酸,所述病毒为SARS-CoV-2。
进一步的,上述基于TtAgo的核酸等温扩增一锅法反应的体系总体积为10μL:Reaction Buffer(含2mM MgSO4),8mM MgSO4,1.4mM dNTP,250nM gDNA1,250nM gDNA2,250nM gDNA3,100nM TtAgo酶,50nM ssDNA-FQ,0.2μM F3,0.2μM B3,0.4μMLF,0.4μM LB,1.6μM FIP,1.6μM BIP,0.32U/μL Bst 2.0 WarmStart DNA聚合酶,模板1μL,用无核酸酶水补足至10μL。
进一步的,上述基于TtAgo的核酸等温扩增一锅法反应的程序为:66℃反应1~2小时,每间隔1分钟收集一次荧光。
本发明的显著优点在于:
本发明克服了CRISPR对检测基因序列的限制、向导RNA设计相对复杂且合成价格昂贵等缺点,创新性地将TtAgo分析与RT-/LAMP扩增整合成单/闭管检测,建立了一个基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增检测一锅法。样本经核酸提取或者裂解处理后加入反应管中进行扩增检测,便可实现1小时内最低检测下限100拷贝数/反应的检测。结果准确、价格低廉、反应快速,可用于SARS-CoV-2病毒即时现场检测。
附图说明
图1:基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测流程及原理示意图。
图2:SARS-CoV-2病毒(N基因)TtAgo检测体系可行性分析。
图3:于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测体系优化。
图4:基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测体系及其灵敏度。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解,下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明,但是本发明不仅限于此。
实施例1:基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒N基因检测的可行性分析从SARS-CoV-2病毒N基因上选择一段特异且保守的短序列,该短序列需满足用于TtAgo分析的向导DNA(gDNA)设计原则。具体地,gDNA设计原则包括以下几个方面:
1)gDNA是一条5’磷酸化的16-18nt的单链短DNA;
2)不管是否与目的靶标匹配,gDNA 5’端第一个碱基为T;
3)应避免gDNA第12位是A碱基。
本实施例所用gDNA的核苷酸序列为5’-pTTCAAGAAATTCAACT-3’,其中5’磷酸化采用T4多核苷酸激酶进行修饰。该gDNA的制备方法为:配制总体积为100μL的反应体系:1×T4DNA连接酶缓冲液,5μM单链寡核苷酸(5’-TTCAAGAAATTCAACT-3’),0.1U/μL T4多核苷酸激酶(#M0201V,NEB),用无核酸酶水补足至100μL;37℃过夜反应,而后65℃反应20min使T4多核苷酸激酶失活,收集反应液,得到浓度为5μM的gDNA,可用于后续TtAgo分析。
除此之外,本实施例还需一条序列含有与gDNA反向互补的荧光报告探针。具体的,本实施例所用荧光报告探针为ssDNA-FQ,其核苷酸序列为5’-FAM-CCTGGAGTTGAATTTCTTGAA-BHQ1-3’。
利用所设计的gDNA和荧光报告探针ssDNA-FQ探究基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒N基因检测的可行性:配制总体积为10μL的TtAgo分析体系:Reaction Buffer(含2mM MgSO4,#B9004,NEB),8mM MgSO4,250nM gDNA,100nM TtAgo酶(#M0665,NEB),100nMssDNA-FQ,用无核酸酶水补足至10μL;66℃反应1~2小时,每间隔1分钟收集一次荧光。如图2所示,只有体系中gDNA、TtAgo酶、ssDNA-FQ同时存在时,TtAgo分析体系才有荧光信号,即在gDNA、TtAgo酶、ssDNA-FQ同时存在时TtAgo酶表现出高切割活性。
实施例2:基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测体系成分优化基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测体系成分优化主要包括以下几个方面,包括但不局限于MgSO4用量、gDNA与TtAgo酶用量及比例,荧光报告探针用量、反应buffer(图3)。
其一,MgSO4用量涉及RT-LAMP中Bst DNA聚合酶的反应活性及TtAgo分析表现出的反应活性。本实施例考察了TtAgo分析体系中MgSO4终浓度分别为3mM、5mM、1mM情况下的检测信号。结果显示,随着TtAgo分析体系中MgSO4终浓度的提高,单管扩增检测反应(RT-/LAMP结合TtAgo分析)信号逐步增强;TtAgo分析体系中MgSO4终浓度为10mM时,体系信号更优。
其二,gDNA及TtAgo酶用量影响TtAgo分析体系的效能。本实施例考察了TtAgo分析体系中gDNA与TtAgo酶的比例对检测信号的影响,体系中gDNA与TtAgo酶的终浓度设置为:①500nM gDNA,100nM TtAgo酶,即gDNA与TtAgo酶的摩尔比为5:1;②500nM gDNA,50nMTtAgo酶,即gDNA与TtAgo酶的摩尔比为5:0.5;③1μM gDNA,100nM TtAgo酶,即gDNA与TtAgo酶的摩尔比为10:1;④250nM gDNA,100nM TtAgo酶,即gDNA与TtAgo酶的摩尔比为2.5:1。结果显示,TtAgo分析体系中含250nM gDNA、100nM TtAgo酶条件下,单管扩增检测反应(RT-/LAMP结合TtAgo分析)信号更优。
其三,荧光报告探针用量直接决定着TtAgo分析作用的底物浓度。本实施例考察了TtAgo分析体系中荧光报告探针ssDNA-FQ终浓度分别为50nM、100nM、200nM情况下的检测信号。结果显示,随着TtAgo分析体系中ssDNA-FQ终浓度的下降,体系反应信号达到平台期所需时间越短,反应速率越高;当TtAgo分析体系中ssDNA-FQ终浓度为50nM时,单管扩增检测反应(RT-LAMP结合TtAgo分析)信号更优。
其四,兼容性的反应缓冲液有助于RT-/LAMP反应和TtAgo切割能够在单管反应中实现整合,并表现出体系信号较优。本实施例比较考察了Reaction Buffer(#B9004,NEB),Isothermal Amplification Buffer(#B0537,NEB),NEBuffer 1.1(#B7201,NEB),NEBuffer 2.1(#B7202,NEB),NEBuffer 3.1(#B7203,NEB),/>Buffer(#B7204,NEB)在单管扩增检测反应(RT-/LAMP结合TtAgo分析)体系中检测信号情况。通过比较,发现,/>Reaction Buffer更有助于实现RT-/LAMP与TtAgo单管扩增检测,体系检测信号最优。
实施例3:基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测体系及其灵敏度基于上述优化条件,针对SARS-CoV-2病毒N基因,本实施例设计了三条gDNA,用于TtAgo切割RT-/LAMP扩增产物,产生一个单链缺口和一个双链平末端缺口,具有3’活性的单链缺口在Bst DNA聚合酶延伸置换下,产生新的靶标特异的向导DNA,随后与TtAgo组装用于靶向特定荧光报告分子ssDNA-FQ,从而产生特定荧光通道信号;用于靶向SARS-CoV-2病毒N基因的gDNA的设计原则主要包括以下几个方面:
1)gDNA是一条5’磷酸化的16-18nt的单链DNA;
2)不管是否与目的靶标匹配,gDNA 5’端第一个碱基为T;
3)应避免gDNA第12位是A碱基;
4)靶标的检测由三条特异性gDNA在TtAgo酶作用下切割扩增子和Bst DNA聚合酶的链置换协同作用下完成的,其中两条gDNA通过切割同一靶标链产生新的gDNA,该gDNA同样满足上述条件1)至3)并可在TtAgo酶作用下靶向并切割荧光报告探针。
此外,为避免gDNA 3’端在Bst DNA聚合酶作用下产生延伸反应,造成体系gDNA含量的变化,本实施例用2~3个与靶标不匹配的碱基添加在其3’端,以此阻碍gDNA以靶标链为模板的延伸反应。
具体的,本实施例靶向SARS-CoV-2病毒N基因的三条gDNA为:gDNA1:5’-pTTTTCTTGAACTGTTGaa-3’,gDNA2:5’-pTACTGCTGCCTGGAGTaa-3’,gDNA3:5’-pTTCGCAACAGTTCAAGtt-3’,gDNA的制备方法参照实施例1;
本实施例荧光报告探针ssDNA-FQ为:5’-FAM-CCTGGAGTTGAATTTCTTGAA-BHQ1-3’;本实施例用于SARS-CoV-2病毒N基因扩增的RT-LAMP引物对为:
F3:5’-GCCAAAAGGCTTCTACGCA-3’,
B3:5’-TTGCTCTCAAGCTGGTTCAA-3’,
LF:5’-GCGACTACGTGATGAGGAA-3’,
LB:5’-GGCGGTGATGCTGCTCTT-3’,
FIP:5’-TCCCCTACTGCTGCCTGGAG-GCAGTCAAGCCTCTTCTCG-3’,
BIP:5’-TCTCCTGCTAGAATGGCTGGCA-TCTGTCAAGCAGCAGCAAAG-3’。
将SARS-CoV-2的N基因片段(5’-GCCAAAAGGCTTCTACGCAGAAGGGAGCAGAGGCGGCAGTCAAGCCTCTTCTCGTTCCTCATCACGTAGTCGCAACAGTTCAAGAAATTCAACTCCAGGCAGCAGTAGGGGAACTTCTCCTGCTAGAATGGCTGGCAATGGCGGTGATGCTGCTCTTGCTTTGCTGCTGCTTGACAGATTGAACCAGCTTGAGAGCAAA-3’)插入到PUC57载体,得到N基因质粒,经体外转录获得RNA片段,而后经转录纯化试剂盒(#AM1908,Thermo Fisher)纯化后用EASY Dilution(#9160Q,Takara)进行梯度稀释作为模板对基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测体系进行灵敏度考察。基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测体系总体积为10μL:Reaction Buffer(含2mM MgSO4),8mM MgSO4,1.4mM dNTP,250nM gDNA1,250nM gDNA2,250nM gDNA3,100nM TtAgo酶,50nM ssDNA-FQ,0.2μM F3,0.2μM B3,0.4μM LF0.4μM LB,1.6μM FIP,1.6μM BIP,0.32U/μL Bst 2.0WarmStart DNAPolymerase(#M0538,NEB),反应模板1μL,用无核酸酶水补足至10μL;66℃反应1~2小时,每间隔1分钟收集一次荧光。结果显示(图4),该体系能够在1个小时内达到100拷贝数/反应的最低检测下限。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测用组合物,其特征在于:包括三条向导DNA、一条荧光报告探针、一对外引物、一对内引物及一对环引物;
其中,所述向导DNA序列为:
gDNA1:5’-pTTTTCTTGAACTGTTGaa-3’,
gDNA2:5’-pTACTGCTGCCTGGAGTaa-3’,
gDNA3:5’-pTTCGCAACAGTTCAAGtt-3’;
所述荧光报告探针序列为:
ssDNA-FQ:5’-FAM-CCTGGAGTTGAATTTCTTGAA-BHQ1-3’;
所述外引物序列为:
F3:5’-GCCAAAAGGCTTCTACGCA-3’,
B3:5’-TTGCTCTCAAGCTGGTTCAA-3’;
所述内引物序列为:
FIP:5’-TCCCCTACTGCTGCCTGGAG-GCAGTCAAGCCTCTTCTCG-3’,
BIP:5’-TCTCCTGCTAGAATGGCTGGCA-TCTGTCAAGCAGCAGCAAAG-3’;
所述环引物序列为:
LF:5’-GCGACTACGTGATGAGGAA-3’,
LB:5’-GGCGGTGATGCTGCTCTT-3’。
2.如权利要求1所述的组合物在制备基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测用试剂盒中的应用。
3.一种基于TtAgo的SARS-CoV-2病毒核酸等温扩增一锅法检测用试剂盒,其特征在于:包含权利要求1所述的组合物。
4.一种非疾病诊断治疗目的的核酸检测方法,其特征在于:利用如权利要求3所述的试剂盒进行基于TtAgo的核酸等温扩增一锅法反应,以检测所述核酸;其中,所述核酸为病毒核酸,所述病毒为SARS-CoV-2。
5.根据权利要求4所述的核酸检测方法,其特征在于:所述基于TtAgo的核酸等温扩增一锅法反应的体系总体积为10μL:1×ThermoPol® Reaction Buffer,8mM MgSO4,1.4mMdNTP,250nM gDNA1,250nM gDNA2,250nM gDNA3,100nM TtAgo酶,50nM ssDNA-FQ,0.2μMF3,0.2μM B3,0.4μM LF,0.4μM LB,1.6μM FIP,1.6μM BIP,0.32U/μL Bst 2.0 WarmStartDNA聚合酶,模板1μL,用无核酸酶水补足至10μL;所述1×ThermoPol® Reaction Buffer中含有2mM MgSO4。
6.根据权利要求4所述的核酸检测方法,其特征在于:所述基于TtAgo的核酸等温扩增一锅法反应的程序为:66℃反应1~2小时,每间隔1分钟收集一次荧光。
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