利用對G—四鏈體環部的構型調節進行傳感器的設計

段娜娜+王娜+楊薇+孔德明

摘要：對鳥嘌呤堿基G重復序列之間連接環結構對G-四鏈體形成的影響進行了研究。發現在連接環較長，DNA鏈不易形成G-四鏈體的情況下，可以通過將環序列設計成雙鏈結構的方式促進G-四鏈體的重新形成。這就為傳感器的設計提供了一個新途徑，即可以利用目標分子對環部雙鏈的調節作用控制G-四鏈體DNA酶的活性。為證明這一點，在雙鏈區域引入T-T堿基錯配，破壞雙鏈結構使DNA鏈不能形成G-四鏈體。Hg2+對T-T錯配的穩定作用可以促進雙鏈結構的形成，DNA鏈重新折疊成G-四鏈體，得到的G-四鏈體與氯化血紅素（Hemin）結合后形成具有過氧化物酶活性的G-四鏈體DNA酶，據此構建了Hg2+傳感器。利用此傳感器可在10～700 nmol/L范圍內實現Hg2+的定量檢測，檢出限為8.7 nmol/L。在此基礎上，利用半胱氨酸可以將Hg2+從T-Hg2+-T堿基對上競爭下來的能力，設計了一種半胱氨酸的檢測方法。此方法可以在20～600 nmol/L范圍內實現半胱氨酸的定量檢測，檢出限為14 nmol/L。

關鍵詞：G-四鏈體； DNA酶； 傳感器； 汞離子； 半胱氨酸

1引言

G-四鏈體是由含有幾組鳥嘌呤堿基G重復序列的DNA或RNA形成的一種特殊的核酸二級結構[1，2]。就某些G-四鏈體而言，當它們與Hemin結合后可形成具有過氧化物酶活性的G-四鏈體DNA酶[3]，催化H2O2參與的一些反應，產生吸光信號、熒光信號或化學發光信號[4～6]。與天然酶相比，G-四鏈體DNA酶由于具有價廉、易得、便于存儲和修飾及設計靈活等優勢，使其在傳感器的設計方面得到了廣泛應用[7～16]。

G-四鏈體的構型及穩定性受多種因素的影響，包括溶液中金屬離子的類型及環序列的長度等。研究表明：較短的環有利于形成催化能力較強的平行構型的G-四鏈體；而當環較長時，則傾向于形成催化能力較弱的反平行的G-四鏈體[17～20]。環的長度加大會在一定程度上降低G-四鏈體的穩定性[21]。若分子內G-四鏈體的3個連接環中只有一個為長環，即使它的長度達到30個堿基，仍能形成穩定的G-四鏈體； 若存在2個或3個長的連接環，且它們的長度達到一定程度時，則無法形成穩定的G-四鏈體[22]。

本研究發現，若長的環序列內部的部分堿基之間可以發生堿基配對，使環部折疊成雙鏈結構時，由于雙鏈結構的形成可以極大地縮短G重復序列之間的距離，有望使相應的核酸序列恢復形成G-四鏈體的能力（圖1）。這一發現為利用G-四鏈體DNA酶進行傳感器的設計提供了新途徑，例如可以利用金屬離子與DNA堿基的結合作用調節環部的雙鏈結構，通過控制G-四鏈體的生成來實現酶活性的調控。本研究利用Hg2+對T-T錯配堿基的穩定能力進行了Hg2+傳感器的設計。在此基礎上，借助于Hg2+與半胱氨酸之間強的相互作用還可以實現半胱氨酸的定量檢測。

4結論

本研究證實了當G重復序列之間存在多個長的連接環，導致DNA鏈不易形成G-四鏈體時，可以通過把環部設計為雙鏈結構的方式使DNA鏈重新獲得形成G-四鏈體的能力。本研究利用靶標對雙鏈區域的調節作用控制G-四鏈體的生成，進而改變G-四鏈體DNA酶的活性?；诖?，設計了Hg2+ 傳感器和半胱氨酸傳感器，可用于Hg2+和半胱氨酸的定量測定。隨著對金屬-堿基對研究的不斷深入[33]，本研究提出的傳感器設計方案可以很容易推廣到其它金屬離子的檢測，例如利用Ag+對C-C堿基錯配的穩定能力進行Ag+傳感器的設計； 還可以考慮把環部設計為適配體序列，利用適配體與靶標的特異性結合來縮短G重復序列之間的距離，實現靶標的特異性定量檢測。

摘要：對鳥嘌呤堿基G重復序列之間連接環結構對G-四鏈體形成的影響進行了研究。發現在連接環較長，DNA鏈不易形成G-四鏈體的情況下，可以通過將環序列設計成雙鏈結構的方式促進G-四鏈體的重新形成。這就為傳感器的設計提供了一個新途徑，即可以利用目標分子對環部雙鏈的調節作用控制G-四鏈體DNA酶的活性。為證明這一點，在雙鏈區域引入T-T堿基錯配，破壞雙鏈結構使DNA鏈不能形成G-四鏈體。Hg2+對T-T錯配的穩定作用可以促進雙鏈結構的形成，DNA鏈重新折疊成G-四鏈體，得到的G-四鏈體與氯化血紅素（Hemin）結合后形成具有過氧化物酶活性的G-四鏈體DNA酶，據此構建了Hg2+傳感器。利用此傳感器可在10～700 nmol/L范圍內實現Hg2+的定量檢測，檢出限為8.7 nmol/L。在此基礎上，利用半胱氨酸可以將Hg2+從T-Hg2+-T堿基對上競爭下來的能力，設計了一種半胱氨酸的檢測方法。此方法可以在20～600 nmol/L范圍內實現半胱氨酸的定量檢測，檢出限為14 nmol/L。

關鍵詞：G-四鏈體； DNA酶； 傳感器； 汞離子； 半胱氨酸

1引言

G-四鏈體是由含有幾組鳥嘌呤堿基G重復序列的DNA或RNA形成的一種特殊的核酸二級結構[1，2]。就某些G-四鏈體而言，當它們與Hemin結合后可形成具有過氧化物酶活性的G-四鏈體DNA酶[3]，催化H2O2參與的一些反應，產生吸光信號、熒光信號或化學發光信號[4～6]。與天然酶相比，G-四鏈體DNA酶由于具有價廉、易得、便于存儲和修飾及設計靈活等優勢，使其在傳感器的設計方面得到了廣泛應用[7～16]。

G-四鏈體的構型及穩定性受多種因素的影響，包括溶液中金屬離子的類型及環序列的長度等。研究表明：較短的環有利于形成催化能力較強的平行構型的G-四鏈體；而當環較長時，則傾向于形成催化能力較弱的反平行的G-四鏈體[17～20]。環的長度加大會在一定程度上降低G-四鏈體的穩定性[21]。若分子內G-四鏈體的3個連接環中只有一個為長環，即使它的長度達到30個堿基，仍能形成穩定的G-四鏈體； 若存在2個或3個長的連接環，且它們的長度達到一定程度時，則無法形成穩定的G-四鏈體[22]。

本研究發現，若長的環序列內部的部分堿基之間可以發生堿基配對，使環部折疊成雙鏈結構時，由于雙鏈結構的形成可以極大地縮短G重復序列之間的距離，有望使相應的核酸序列恢復形成G-四鏈體的能力（圖1）。這一發現為利用G-四鏈體DNA酶進行傳感器的設計提供了新途徑，例如可以利用金屬離子與DNA堿基的結合作用調節環部的雙鏈結構，通過控制G-四鏈體的生成來實現酶活性的調控。本研究利用Hg2+對T-T錯配堿基的穩定能力進行了Hg2+傳感器的設計。在此基礎上，借助于Hg2+與半胱氨酸之間強的相互作用還可以實現半胱氨酸的定量檢測。

4結論

本研究證實了當G重復序列之間存在多個長的連接環，導致DNA鏈不易形成G-四鏈體時，可以通過把環部設計為雙鏈結構的方式使DNA鏈重新獲得形成G-四鏈體的能力。本研究利用靶標對雙鏈區域的調節作用控制G-四鏈體的生成，進而改變G-四鏈體DNA酶的活性。基于此，設計了Hg2+ 傳感器和半胱氨酸傳感器，可用于Hg2+和半胱氨酸的定量測定。隨著對金屬-堿基對研究的不斷深入[33]，本研究提出的傳感器設計方案可以很容易推廣到其它金屬離子的檢測，例如利用Ag+對C-C堿基錯配的穩定能力進行Ag+傳感器的設計； 還可以考慮把環部設計為適配體序列，利用適配體與靶標的特異性結合來縮短G重復序列之間的距離，實現靶標的特異性定量檢測。

摘要：對鳥嘌呤堿基G重復序列之間連接環結構對G-四鏈體形成的影響進行了研究。發現在連接環較長，DNA鏈不易形成G-四鏈體的情況下，可以通過將環序列設計成雙鏈結構的方式促進G-四鏈體的重新形成。這就為傳感器的設計提供了一個新途徑，即可以利用目標分子對環部雙鏈的調節作用控制G-四鏈體DNA酶的活性。為證明這一點，在雙鏈區域引入T-T堿基錯配，破壞雙鏈結構使DNA鏈不能形成G-四鏈體。Hg2+對T-T錯配的穩定作用可以促進雙鏈結構的形成，DNA鏈重新折疊成G-四鏈體，得到的G-四鏈體與氯化血紅素（Hemin）結合后形成具有過氧化物酶活性的G-四鏈體DNA酶，據此構建了Hg2+傳感器。利用此傳感器可在10～700 nmol/L范圍內實現Hg2+的定量檢測，檢出限為8.7 nmol/L。在此基礎上，利用半胱氨酸可以將Hg2+從T-Hg2+-T堿基對上競爭下來的能力，設計了一種半胱氨酸的檢測方法。此方法可以在20～600 nmol/L范圍內實現半胱氨酸的定量檢測，檢出限為14 nmol/L。

關鍵詞：G-四鏈體； DNA酶； 傳感器； 汞離子； 半胱氨酸

1引言

G-四鏈體是由含有幾組鳥嘌呤堿基G重復序列的DNA或RNA形成的一種特殊的核酸二級結構[1，2]。就某些G-四鏈體而言，當它們與Hemin結合后可形成具有過氧化物酶活性的G-四鏈體DNA酶[3]，催化H2O2參與的一些反應，產生吸光信號、熒光信號或化學發光信號[4～6]。與天然酶相比，G-四鏈體DNA酶由于具有價廉、易得、便于存儲和修飾及設計靈活等優勢，使其在傳感器的設計方面得到了廣泛應用[7～16]。

G-四鏈體的構型及穩定性受多種因素的影響，包括溶液中金屬離子的類型及環序列的長度等。研究表明：較短的環有利于形成催化能力較強的平行構型的G-四鏈體；而當環較長時，則傾向于形成催化能力較弱的反平行的G-四鏈體[17～20]。環的長度加大會在一定程度上降低G-四鏈體的穩定性[21]。若分子內G-四鏈體的3個連接環中只有一個為長環，即使它的長度達到30個堿基，仍能形成穩定的G-四鏈體； 若存在2個或3個長的連接環，且它們的長度達到一定程度時，則無法形成穩定的G-四鏈體[22]。

本研究發現，若長的環序列內部的部分堿基之間可以發生堿基配對，使環部折疊成雙鏈結構時，由于雙鏈結構的形成可以極大地縮短G重復序列之間的距離，有望使相應的核酸序列恢復形成G-四鏈體的能力（圖1）。這一發現為利用G-四鏈體DNA酶進行傳感器的設計提供了新途徑，例如可以利用金屬離子與DNA堿基的結合作用調節環部的雙鏈結構，通過控制G-四鏈體的生成來實現酶活性的調控。本研究利用Hg2+對T-T錯配堿基的穩定能力進行了Hg2+傳感器的設計。在此基礎上，借助于Hg2+與半胱氨酸之間強的相互作用還可以實現半胱氨酸的定量檢測。

4結論

本研究證實了當G重復序列之間存在多個長的連接環，導致DNA鏈不易形成G-四鏈體時，可以通過把環部設計為雙鏈結構的方式使DNA鏈重新獲得形成G-四鏈體的能力。本研究利用靶標對雙鏈區域的調節作用控制G-四鏈體的生成，進而改變G-四鏈體DNA酶的活性?；诖?，設計了Hg2+ 傳感器和半胱氨酸傳感器，可用于Hg2+和半胱氨酸的定量測定。隨著對金屬-堿基對研究的不斷深入[33]，本研究提出的傳感器設計方案可以很容易推廣到其它金屬離子的檢測，例如利用Ag+對C-C堿基錯配的穩定能力進行Ag+傳感器的設計； 還可以考慮把環部設計為適配體序列，利用適配體與靶標的特異性結合來縮短G重復序列之間的距離，實現靶標的特異性定量檢測。