利用对G—四链体环部的构型调节进行传感器的设计

段娜娜+王娜+杨薇+孔德明

摘要：对鸟嘌呤碱基G重复序列之间连接环结构对G-四链体形成的影响进行了研究。发现在连接环较长，DNA链不易形成G-四链体的情况下，可以通过将环序列设计成双链结构的方式促进G-四链体的重新形成。这就为传感器的设计提供了一个新途径，即可以利用目标分子对环部双链的调节作用控制G-四链体DNA酶的活性。为证明这一点，在双链区域引入T-T碱基错配，破坏双链结构使DNA链不能形成G-四链体。Hg2+对T-T错配的稳定作用可以促进双链结构的形成，DNA链重新折叠成G-四链体，得到的G-四链体与氯化血红素（Hemin）结合后形成具有过氧化物酶活性的G-四链体DNA酶，据此构建了Hg2+传感器。利用此传感器可在10～700 nmol/L范围内实现Hg2+的定量检测，检出限为8.7 nmol/L。在此基础上，利用半胱氨酸可以将Hg2+从T-Hg2+-T碱基对上竞争下来的能力，设计了一种半胱氨酸的检测方法。此方法可以在20～600 nmol/L范围内实现半胱氨酸的定量检测，检出限为14 nmol/L。

关键词：G-四链体； DNA酶； 传感器； 汞离子； 半胱氨酸

1引言

G-四链体是由含有几组鸟嘌呤碱基G重复序列的DNA或RNA形成的一种特殊的核酸二级结构[1，2]。就某些G-四链体而言，当它们与Hemin结合后可形成具有过氧化物酶活性的G-四链体DNA酶[3]，催化H2O2参与的一些反应，产生吸光信号、荧光信号或化学发光信号[4～6]。与天然酶相比，G-四链体DNA酶由于具有价廉、易得、便于存储和修饰及设计灵活等优势，使其在传感器的设计方面得到了广泛应用[7～16]。

G-四链体的构型及稳定性受多种因素的影响，包括溶液中金属离子的类型及环序列的长度等。研究表明：较短的环有利于形成催化能力较强的平行构型的G-四链体；而当环较长时，则倾向于形成催化能力较弱的反平行的G-四链体[17～20]。环的长度加大会在一定程度上降低G-四链体的稳定性[21]。若分子内G-四链体的3个连接环中只有一个为长环，即使它的长度达到30个碱基，仍能形成稳定的G-四链体； 若存在2个或3个长的连接环，且它们的长度达到一定程度时，则无法形成稳定的G-四链体[22]。

本研究发现，若长的环序列内部的部分碱基之间可以发生碱基配对，使环部折叠成双链结构时，由于双链结构的形成可以极大地缩短G重复序列之间的距离，有望使相应的核酸序列恢复形成G-四链体的能力（图1）。这一发现为利用G-四链体DNA酶进行传感器的设计提供了新途径，例如可以利用金属离子与DNA碱基的结合作用调节环部的双链结构，通过控制G-四链体的生成来实现酶活性的调控。本研究利用Hg2+对T-T错配碱基的稳定能力进行了Hg2+传感器的设计。在此基础上，借助于Hg2+与半胱氨酸之间强的相互作用还可以实现半胱氨酸的定量检测。

4结论

本研究证实了当G重复序列之间存在多个长的连接环，导致DNA链不易形成G-四链体时，可以通过把环部设计为双链结构的方式使DNA链重新获得形成G-四链体的能力。本研究利用靶标对双链区域的调节作用控制G-四链体的生成，进而改变G-四链体DNA酶的活性。基于此，设计了Hg2+ 传感器和半胱氨酸传感器，可用于Hg2+和半胱氨酸的定量测定。随着对金属-碱基对研究的不断深入[33]，本研究提出的传感器设计方案可以很容易推广到其它金属离子的检测，例如利用Ag+对C-C碱基错配的稳定能力进行Ag+传感器的设计； 还可以考虑把环部设计为适配体序列，利用适配体与靶标的特异性结合来缩短G重复序列之间的距离，实现靶标的特异性定量检测。

摘要：对鸟嘌呤碱基G重复序列之间连接环结构对G-四链体形成的影响进行了研究。发现在连接环较长，DNA链不易形成G-四链体的情况下，可以通过将环序列设计成双链结构的方式促进G-四链体的重新形成。这就为传感器的设计提供了一个新途径，即可以利用目标分子对环部双链的调节作用控制G-四链体DNA酶的活性。为证明这一点，在双链区域引入T-T碱基错配，破坏双链结构使DNA链不能形成G-四链体。Hg2+对T-T错配的稳定作用可以促进双链结构的形成，DNA链重新折叠成G-四链体，得到的G-四链体与氯化血红素（Hemin）结合后形成具有过氧化物酶活性的G-四链体DNA酶，据此构建了Hg2+传感器。利用此传感器可在10～700 nmol/L范围内实现Hg2+的定量检测，检出限为8.7 nmol/L。在此基础上，利用半胱氨酸可以将Hg2+从T-Hg2+-T碱基对上竞争下来的能力，设计了一种半胱氨酸的检测方法。此方法可以在20～600 nmol/L范围内实现半胱氨酸的定量检测，检出限为14 nmol/L。

关键词：G-四链体； DNA酶； 传感器； 汞离子； 半胱氨酸

1引言

G-四链体是由含有几组鸟嘌呤碱基G重复序列的DNA或RNA形成的一种特殊的核酸二级结构[1，2]。就某些G-四链体而言，当它们与Hemin结合后可形成具有过氧化物酶活性的G-四链体DNA酶[3]，催化H2O2参与的一些反应，产生吸光信号、荧光信号或化学发光信号[4～6]。与天然酶相比，G-四链体DNA酶由于具有价廉、易得、便于存储和修饰及设计灵活等优势，使其在传感器的设计方面得到了广泛应用[7～16]。

G-四链体的构型及稳定性受多种因素的影响，包括溶液中金属离子的类型及环序列的长度等。研究表明：较短的环有利于形成催化能力较强的平行构型的G-四链体；而当环较长时，则倾向于形成催化能力较弱的反平行的G-四链体[17～20]。环的长度加大会在一定程度上降低G-四链体的稳定性[21]。若分子内G-四链体的3个连接环中只有一个为长环，即使它的长度达到30个碱基，仍能形成稳定的G-四链体； 若存在2个或3个长的连接环，且它们的长度达到一定程度时，则无法形成稳定的G-四链体[22]。

本研究发现，若长的环序列内部的部分碱基之间可以发生碱基配对，使环部折叠成双链结构时，由于双链结构的形成可以极大地缩短G重复序列之间的距离，有望使相应的核酸序列恢复形成G-四链体的能力（图1）。这一发现为利用G-四链体DNA酶进行传感器的设计提供了新途径，例如可以利用金属离子与DNA碱基的结合作用调节环部的双链结构，通过控制G-四链体的生成来实现酶活性的调控。本研究利用Hg2+对T-T错配碱基的稳定能力进行了Hg2+传感器的设计。在此基础上，借助于Hg2+与半胱氨酸之间强的相互作用还可以实现半胱氨酸的定量检测。

4结论

本研究证实了当G重复序列之间存在多个长的连接环，导致DNA链不易形成G-四链体时，可以通过把环部设计为双链结构的方式使DNA链重新获得形成G-四链体的能力。本研究利用靶标对双链区域的调节作用控制G-四链体的生成，进而改变G-四链体DNA酶的活性。基于此，设计了Hg2+ 传感器和半胱氨酸传感器，可用于Hg2+和半胱氨酸的定量测定。随着对金属-碱基对研究的不断深入[33]，本研究提出的传感器设计方案可以很容易推广到其它金属离子的检测，例如利用Ag+对C-C碱基错配的稳定能力进行Ag+传感器的设计； 还可以考虑把环部设计为适配体序列，利用适配体与靶标的特异性结合来缩短G重复序列之间的距离，实现靶标的特异性定量检测。

摘要：对鸟嘌呤碱基G重复序列之间连接环结构对G-四链体形成的影响进行了研究。发现在连接环较长，DNA链不易形成G-四链体的情况下，可以通过将环序列设计成双链结构的方式促进G-四链体的重新形成。这就为传感器的设计提供了一个新途径，即可以利用目标分子对环部双链的调节作用控制G-四链体DNA酶的活性。为证明这一点，在双链区域引入T-T碱基错配，破坏双链结构使DNA链不能形成G-四链体。Hg2+对T-T错配的稳定作用可以促进双链结构的形成，DNA链重新折叠成G-四链体，得到的G-四链体与氯化血红素（Hemin）结合后形成具有过氧化物酶活性的G-四链体DNA酶，据此构建了Hg2+传感器。利用此传感器可在10～700 nmol/L范围内实现Hg2+的定量检测，检出限为8.7 nmol/L。在此基础上，利用半胱氨酸可以将Hg2+从T-Hg2+-T碱基对上竞争下来的能力，设计了一种半胱氨酸的检测方法。此方法可以在20～600 nmol/L范围内实现半胱氨酸的定量检测，检出限为14 nmol/L。

关键词：G-四链体； DNA酶； 传感器； 汞离子； 半胱氨酸

1引言

G-四链体是由含有几组鸟嘌呤碱基G重复序列的DNA或RNA形成的一种特殊的核酸二级结构[1，2]。就某些G-四链体而言，当它们与Hemin结合后可形成具有过氧化物酶活性的G-四链体DNA酶[3]，催化H2O2参与的一些反应，产生吸光信号、荧光信号或化学发光信号[4～6]。与天然酶相比，G-四链体DNA酶由于具有价廉、易得、便于存储和修饰及设计灵活等优势，使其在传感器的设计方面得到了广泛应用[7～16]。

G-四链体的构型及稳定性受多种因素的影响，包括溶液中金属离子的类型及环序列的长度等。研究表明：较短的环有利于形成催化能力较强的平行构型的G-四链体；而当环较长时，则倾向于形成催化能力较弱的反平行的G-四链体[17～20]。环的长度加大会在一定程度上降低G-四链体的稳定性[21]。若分子内G-四链体的3个连接环中只有一个为长环，即使它的长度达到30个碱基，仍能形成稳定的G-四链体； 若存在2个或3个长的连接环，且它们的长度达到一定程度时，则无法形成稳定的G-四链体[22]。

本研究发现，若长的环序列内部的部分碱基之间可以发生碱基配对，使环部折叠成双链结构时，由于双链结构的形成可以极大地缩短G重复序列之间的距离，有望使相应的核酸序列恢复形成G-四链体的能力（图1）。这一发现为利用G-四链体DNA酶进行传感器的设计提供了新途径，例如可以利用金属离子与DNA碱基的结合作用调节环部的双链结构，通过控制G-四链体的生成来实现酶活性的调控。本研究利用Hg2+对T-T错配碱基的稳定能力进行了Hg2+传感器的设计。在此基础上，借助于Hg2+与半胱氨酸之间强的相互作用还可以实现半胱氨酸的定量检测。

4结论

本研究证实了当G重复序列之间存在多个长的连接环，导致DNA链不易形成G-四链体时，可以通过把环部设计为双链结构的方式使DNA链重新获得形成G-四链体的能力。本研究利用靶标对双链区域的调节作用控制G-四链体的生成，进而改变G-四链体DNA酶的活性。基于此，设计了Hg2+ 传感器和半胱氨酸传感器，可用于Hg2+和半胱氨酸的定量测定。随着对金属-碱基对研究的不断深入[33]，本研究提出的传感器设计方案可以很容易推广到其它金属离子的检测，例如利用Ag+对C-C碱基错配的稳定能力进行Ag+传感器的设计； 还可以考虑把环部设计为适配体序列，利用适配体与靶标的特异性结合来缩短G重复序列之间的距离，实现靶标的特异性定量检测。