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摘要

基于 DNAzyme 的纳米机器可用于核酸的高选择性和灵敏检测。本文以免费软件为例,描述了使用免费软件设计具有 10-23 核心的基于 DNAzyme 的纳米机器的详细方案及其在 Epstein-Barr 病毒片段检测中的应用。

摘要

用于检测 DNA 和 RNA 序列(分析物)的基于 DNAzyme 的纳米机器 (DNM) 是由寡核苷酸制成的多功能结构。它们的功能包括紧密的分析物结合、高选择性的分析物识别、通过荧光报告基因底物的多次催化裂解放大荧光信号,以及提高传感器响应的荧光底物吸引。功能单元连接到一个共同的 DNA 支架上,以实现它们的协同作用。与非催化杂交探针相比,RNA 切割 10-23 个 DNM 具有更高的灵敏度。DNM 的稳定性和底物识别机会的增加是由双链 DNA 片段(一个 tile)提供的。DNM 可以区分折叠 RNA 和双链 DNA 中具有单核苷酸差异的两种分析物,并检测浓度比其他无蛋白杂交探针低 ~1000 倍的分析物。本文介绍了 DNA-纳米机器活性诊断潜力背后的概念,并概述了 DNM 的设计、组装和在核酸检测分析中的应用。

引言

核酸检测的最早方法之一是选择性寡核苷酸与分析的 RNA 或 DNA 序列的互补结合。该方法采用可与靶向 DNA 或 RNA 分析物形成 Watson-Crick 碱基对的核酸片段(探针)1。然后通过各种技术将复合物与分析物和未结合的探针区分开来。某些方法(如 Northern 印迹、 原位 杂交或 qPCR)基于互补结合现象 2。最常见的杂交探针有两个明显的缺点:灵敏度低(它们可以达到微摩尔到纳摩尔水平)以及对单核苷酸变异 (SNV) 的低选择性,包括点突变。这个问题需要一种复杂的方法,因为这些缺点的解决方案是相互冲突的3.为了提供最佳选择性,检测寡核苷酸应保持足够短,以便与错配分析物形成不稳定的杂交体。这种短寡核苷酸无法紧密结合目标核酸并解开其二级结构,因此通常无法提供可检测的信号。在生物 RNA 或双链 DNA (dsDNA) 中检测富含 CG 的片段尤其具有挑战性。另一方面,长探针对 SNV3 不敏感。为了打破僵局,已经开发了二进制探针的概念4.

二元传感器将单个检测探针分成两部分并专门化其片段,使其中一个片段保持较长以解开发夹或侵入 dsDNA。第二个二元探针片段保持短,以便对不匹配的碱基敏感,从而提供了一种检测 SNV 的方法。如果两个二进制传感器部件连接在一起,就会产生信号4.完整的复合物可以通过 FRET 5、分子信标探针 6,7 或具有过氧化物酶样活性 8,9,10 的 G 四链体,或者 RNA 切割 11,12,13 DNAzyme 进行可视化。具有 10-23 DNAzyme 核心的二元传感器已经得到了充分的描述。它们已适应于检测合成产生的单链核酸片段11 或单链扩增产物14,15。例如,从细胞培养物中提取的 16S rRNA 也可以进行检测,因为该分子在细胞中含量丰富12,16。具有 10-23 DNAzyme 核心的二元传感器也可用于非核酸检测,例如铅离子17。尽管如此,低灵敏度仍然被认为是二元 10-23 DNAzyme 传感器的主要缺点之一,并且已经开发了各种方法,包括级联18 或替代信号增强方法19,来解决这个问题。遗憾的是,上述技术大大增加了传感器组件的成本和不稳定性,因此尚未付诸实践。

这项工作中描述的实验使用 10-23 个基于 DNAzyme 的 DNA 纳米传感器,称为 DNA 纳米机 (DNM)20,21。这些结构包括二元传感器以及 (1) 位于二元探针两侧的 DNA 促进剂,展开结构化区域并侵入双链 DNA,以及 (2) 将所有 DNM 部分紧密结合并增加信号形成机会的 DNA 图块(图 1)。总而言之,10-23 个基于 DNAzyme 的 DNM 将检测限 (LOD) 降低到皮摩尔范围21;它们可用于检测细胞裂解物中的 16rRNA22 或报告病毒 RNA 的存在而不进行扩增23,24。同时,DNM 对 SNV 仍然敏感,甚至可以用于对杂合生物体中的等位基因进行基因分型25。DNM 方法可用作任何扩增类型的补充技术,用于高选择性复杂混合物中的产物可视化或鉴定。与传统的 TaqMan 和信标探针不同,DNM 不需要加热样品,因此可用于终点检测方案,使整体检测具有成本效益。

本文介绍了 DNM 的计算机开发, 并演示了 DNM 的组装和功能表征程序。该工作是使用对应于病毒 DNA 13972-14154 位置 (OR652423.1) 的 Epstein-Barr 病毒 (EBV) 的合成片段进行的(参见 材料表)。

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研究方案

1. DNM 设计

  1. 在感兴趣的基因组中选择一个独特的区域。
    注:这项工作在位置 13972-14154 (OR652423.1) 中使用了 Epstein-Barr 病毒 (EBV) 基因组的一个区域。
  2. 创建用于扩增所选片段的引物组,例如 ,通过 嵌入 Ugene26 中的 Primer3 工具。
  3. 打开 UNAFold web 工具27 (请参阅 材料表)并插入所选区域。将折叠温度更改为 55 °C,离子条件更改为 250 mM 的一价离子和 200 mM 的 Mg2+
    1. 打开 ssDNA 片段的二级结构并选择稳定的发夹。将 DNA 纳米机器的结合位点定位在非结构化区域或发夹结构的环上,以实现更强的靶标结合。
  4. 如果目标分析物位点折叠成茎环结构,则按如下方式放置臂 1 和 2:确保臂 2 结合茎的一侧、环和第二茎侧的 3-5 nt;Arm 1 结合第二茎侧的片段。
  5. 打开 DinaMelt 工具28 (参见 材料表)并分析臂的序列及其反向互补序列。使用 DinaMelt 工具确保 Arms 2 和 3 的 Tm 高于 65 °C:至少比测定温度 (55 °C) 高 10 °C。
    1. 如果要实现高识别选择性,请将 Arm 1 的 Tm 保持在反应温度 (55 °C) 以上至少 1-3 °C29
  6. 将 Arms 1 和 2 序列与 DNAzyme 核心的两半和 F-sub 结合片段13 结合。
  7. 使用 UNAFold27 分析设计的 DNA 链的二级结构。
    注:55 °C(测定温度),200 mM Mg2+,250 mM 单价离子(HEPES,Na+,K+)。
    1. 仅当折叠 ΔG 低于 - 4 kcal/mol 时才使用该设计。尽量避免使用富含 CG 的长序列。如果二级结构太稳定,则向手臂引入突变以增加折叠 ΔG30。或者,将 Arm 3 2-3 nt 放置在远离 Arm 2 的位置是另一种改变 Arm 3 序列以避免稳定的分子间结构的策略。
  8. 为 DNA 瓦片片段创建一个随机序列,只要 Arm 3 即可。 通过 (dT)4-6 或乙二醇(例如,三甘醇 (TEG) 或六甘醇 (HEG))将 Arm 3 序列与 DNA 瓦片序列结合。实验中提供的 DNM 版本使用 (dT)6
  9. 通过接头将臂 2 与步骤 1.8 中选择的 DNA 瓦片片段互补的序列连接起来。
  10. 使用 UNAFold 网络应用程序分析设计的 DNA 链的二级结构。确保每条 DNA 链的折叠能量在 55 °C 时高于 4 kJ/mol,并避免长 CG 富集序列。最好更改 DNA 瓦片序列。
  11. 使用任何可用的矢量图形软件绘制结构。本文使用 Biorender 和 Pixelmator Pro 进行可视化(参见 材料表)。验证每根链 5'->3' 方向的准确性。
    注意:从可靠的商业供应商处获取序列。

2. DNM 的功能测试

  1. 缓冲液和试剂的制备
    1. 制备由 50 mM HEPES (pH 7.5-7.8)、50 mM NaCl、150 mM KCl 和 200 mM MgCl2 组成的反应缓冲液。加入去离子水,最多可填充 50 mL。
    2. 制备 10 μM 等分试样的 Dzb-Tile 和 Tile-Arm3 寡核苷酸。在无 RNase/Free 水或无菌去离子水中制备 1 μM Dza、100 μM F-Sub 和 1 nM、10 nM、100 nM 分析物溶液。寡核苷酸序列的详细信息在 材料表中提供。
  2. DNM 程序集
    1. 使用前请完全解冻寡核苷酸溶液。轻敲轻轻混合(不要强烈涡旋)。使用微量离心机旋转(快速,几秒钟)溶液。
    2. 在 0.5 mL 微量离心管中,将 Dzb-Tile 和 Tile-Arm3 各混合在 200 μL 反应缓冲液中。
    3. 轻轻混合试管并旋转溶液。
    4. 用石蜡膜包裹封闭管的盖子。或者,使用螺帽管。
    5. 将试管放入装有沸水的 500 mL 烧杯中孵育 2 分钟,然后关闭加热器,让温度被动冷却过夜。
    6. 准备 12% 天然 PAGE:混合 1 mL 10х TBE 缓冲液、3 mL 40% AA:BA、最多 10 mL 的去离子水、50 μL APS 和 5 μL TEMED(参见 材料表)。将混合物移至凝胶盒中,使其聚合。
    7. 将 1 μL 每个样品(即组装的 DNM、Dzb-Tile 和 Tile-arm3)与 1 μL 4x 上样染料混合,然后将它们加载到凝胶中。
    8. 将盒放入腔室中,用 1x TBE 缓冲液填充,让凝胶在 80 V 下运行 90 分钟。
    9. 用溴化乙锭对凝胶进行染色,并使用凝胶记录系统对其进行可视化(参见 材料表)。
  3. LOD 检测
    1. 在反应缓冲液中制备 160 μL 的 200 nM F-sub。这样做是为了评估基材稳定性的基本背景。
    2. 在反应缓冲液中制备 7 等分试样,浓度为 20 nM DNM 和 Dza 以及 200 nM F-sub 的 160 μL 预组装 DNM、F-sub 和 Dza。在七个试管中,将试管 #1 作为空白背景,以评估 DNAzyme 核心的自发组装。
    3. 将分析物以 1 pM、10 pM、100 pM、200 pM、500 pM 和 1000 pM 的终浓度添加到试管 #2-7 中。
    4. 轻轻混合,旋转试管,将溶液分成 3 份 50 μL 放入黑色 96 孔板中。用光学透明薄膜密封板。
    5. 将板在 55 °C 的水浴中孵育 1 小时。旋转盘子。
    6. 测量 525 nm 处的荧光 (λex = 495 nm)。计算每个点的平均值和标准差。
    7. 通过将包含 F-sub 和 DNM 的管信号除以仅包含 F-sub 的管信号来计算空白与碱性比。确保比率在 1.1-1.5 范围内。
    8. 通过将包含 F-sub、DNM 和分析物的试管信号除以仅包含 F-sub 和 DNM 的试管信号来计算信标空白比。如果信号高于背景平均值加上三个标准差,则将其视为真阳性。
    9. 重复实验两次,并确保分析重复之间的标准差小于 0.5。

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结果

第一个实验的目的是显示分析物的合成片段之前 DNM 的组装。将所有组成 DNM 链添加到反应缓冲液中并在烧杯中组装。通过天然 PAGE 评估组装的 DNM 复合物的正确大小和均一性。非变性 PAGE 显示了组装的 DNM,其中分析物位于泳道 1 中,两条 DNM 链位于泳道 2 和 4 中。如果 DNA 纳米机器没有组装,则可以看到 2 或 3 个单独的条带,而不是单个低迁移率条带( 图...

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讨论

DNA 机器的设计很简单,但需要一些设计杂交探针或功能性 DNA 纳米结构的经验。适当的做法是使分析物碎片尽可能短,以减少可能的二级结构的数量并简化 DNM 对二级结构的侵袭。CG 含量最好低于 60%,以避免稳定的分子内结构。DNM 的成功组装是在缓慢的冷却速率下实现的。在某些情况下,DNM 可以在管中自发组装,并且可以省去退火步骤。DNM 组装可以在 0.1-0.3 °C/min 的热?...

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披露声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者要感谢 Ekaterina V. Nikitina 慷慨提供 EBV 的 gDNA。Muhannad Ateiah、Maria Y. Berezovskaya 和 Maria S. Rubel 感谢俄罗斯联邦教育和科学部(拨款号 FSER-2022-0009)和 2030 年优先计划。

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材料

NameCompanyCatalog NumberComments
1.5 mL tubeBiofilCFT011015
100 bp+ DNA LadderEvrogenNL002
100-1000 µL pipetteKirgenKG-Pro1000
10-100 µL pipetteKirgenKG-Pro100
1-10 µL pipetteKirgenKG-Pro10
20-200 µL pipetteKirgenKG-Pro200
2-20 µL pipetteKirgenKG-Pro20
4x Gel Loading DyeEvrogenPB020
Acrylamide 4KAppliChemA1090,0500
Ammonium persulfateCarl Roth2809447
BiorenderBiorenderhttps://www.biorender.com
BisacrylamideMolekula22797959
Boric AcidTechSnabH-0202
ChemiDoc imaging systemBioRad12003153
Costar 96-Well Black Polystyrene PlateCorningCOS3915
DinaMeltRNA Institutehttp://www.unafold.org/Dinamelt/applications/two-state-melting-hybridization.php
EDTAAmrescoAm-O105
Ethidium bromideBioLabMixEtBr-10
HEPESAmrescoAm-O485
Magnesium chlorideAppliChem131396
Mini Protean Tetra CellBioRad1658001EDU
pipette 10 µL tipsKirgenKG1111-L
pipette 1000 µL tipsKirgenKG1636
pipette 200 µL tipsKirgenKG1212-L
Pixelmator ProPixelmator Teamhttps://www.pixelmator.com/pro/
Potassium chlorideCarl Roth1782751
PowerPac Basic Power SupplyBioRad1645050
RNAse/DNAse free waterInvitrogen10977049
Sealing film for PCR platesSovtechP-502
Sodium chlorideVektonHCh (0,1)
Spark multimode microplate readerTecanSpark- 10M
T100 amplificatorBioRad10014822
TEMEDMolekula68604730
Tris(hydroxymethyl)aminomethaneAmrescoAm-O497
UNAFoldRNA Institutehttp://www.unafold.org/mfold/applications/dna-folding-form.php
Water bathLOIPLB-140
Oligos used
Analyte:Evrogendirect order, standard desalting purification
GAGCACTTGGTCAGGCACACGG
ACAGGGTCAGCGGAGGACGCG
TGGCACAGCAGCCCGGGGTAG
GTCCCCTGGACCTGCCGCTGG
CGGACTACGCCTTCGTTGC
Tile-Arm3:Evrogendirect order, standard desalting purification
CCG GGCTGCTGTGCCATTTT
TTGCTGACTACTGTCACCTCT
CTGCTAGTCT
Dzb-Tile: AGACTAGCAGAGAGGTGACAG
TAGTCAGCTTTTTTCGCGTCCTC
CGCTGACCACAACGAGAGGAA
ACCTT
Evrogendirect order, standard desalting purification
Dza: TGCCCAGGGAGGCTAGCTCT
GTCCGTGTGCCTGACCA
Evrogendirect order, standard desalting purification
F-sub oligonucleotide: AAGGTT(FAM)TCCTCrGrU
CCCTGGGCA-BHQ1
DNA-Syntezdirect order, HPLC purification

参考文献

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