基于脂质体-DNA复合体的“条形码分子开关”及其生物识别功能

构建了一种由DNA链和大单室囊泡(GUV)组装成的具有智能靶向功能的复合体(GUV-DNA)。该复合体的粒径分布及形态学大小可以通过动态光散射(DLS)技术、表面Zeta电位及暗场显微镜进行测定及观察。组装后的GUV-DNA复合体可以藏匿靶向基团于高分子结构中;而该结构中的"立足点"(Toehold)序列使外源性的另一条寡核苷酸链能够通过DNA链置换反应竞争性地将靶向基团暴露于环境中,从而实现该结构的核酸敏感型变化。荧光共振能力转移(FRET)技术及生物素-亲和素(Biotin-Avidin)捕获法阐明了该结构中的碱基配对"条形码"序列可以确保只有特异性的寡核苷酸序列才能"打开"复合体,从而暴露靶向基团。所构建的GUV-DNA复合体可以实现程序化的"开启"功能,从而释放藏匿于其中的生物靶向功能基团。     

基于光敏性胸腺嘧啶脱氧核苷亚膦酰胺单体的光响应DNA水凝胶

设计并合成了一种1-(4,5-二甲氧基-2-硝基苄基)乙氧基光敏基团保护的胸腺嘧啶脱氧核苷亚膦酰胺单体,将其通过固相合成引入到DNA序列中,可以实现对DNA链互补配对的光学调控;并进一步利用该单体合成了功能性的核酸序列,成功制备了快速光响应的DNA超分子水凝胶.该结果拓展了DNA单体的多样性,为构建新型光响应功能体系提供了新途径.     

无标记电化学生物传感平台用于癌胚抗原的检测

基于目标物诱导DNA杂交链式反应(HCR)及银纳米颗粒(Ag NPs)自组装过程构建了无标记型电化学生物传感平台,并将其应用于癌胚抗原(CEA)的检测.在目标物存在的情况下,适配体对CEA进行特异性识别并结合,释放出与之互补的触发DNA链(t DNA).该t DNA能够被金电极上的捕获探针(c DNA)捕获,并启动HCR过程,使得两条发夹DNA链被相继打开并串联成长的DNA双链结构,带正电的Ag NPs通过与该DNA结构之间的静电作用大量自组装到电极表面,并产生强的电化学信号.在优化的实验条件下,该电化学生物传感平台能够在0.5 ng·L~(-1)到50μg·L~(-1)的浓度范围内实现对CEA的良好响应.     

不可逆电活性药物米托蒽醌与脱氧核糖核酸的相互作用

研究了抗癌新药米托蒽醌(MXT)的电化学行为及与脱氧核糖核酸(DNA)的相互作用，推导了适用于研究不可逆电活性分子与DNA相互作用的电化学公式，运用该公式可以简便、快速地测定靶向分子与DNA的结合常数和结合位点数。实验发现，MXT与小牛胸腺DNA的结合以蒽醌母核的嵌插作用为主，同时，烃氨基侧链与骨架磷酸基团之间的静电吸引对母核起稳定作用，使化合物易于嵌入DNA的平面结构。MXT与DNA相互作用引起的峰电流的变化可以用于分析测定DNA。     

基于DNA纳米结构的细胞间相互作用的调控

细胞通过化学信号、 电子交换和直接接触等方式交换彼此之间的物质和信息, 以调节生命体的生长发育. 因此, 细胞间的相互作用研究与调控在细胞功能的机制研究和疾病的诊断及治疗等领域具有非常重要的意义. DNA纳米结构具有易合成、 易修饰、 可编程性设计及生物安全性高等优点, 有望实现操作简单、 精确可调、 智能响应的细胞间相互作用调控, 受到了广泛关注. 本文综述了寡核苷酸链杂交、 受体-配体结合和核酸适体靶向识别等基于DNA纳米结构的细胞组装策略, 总结了pH调控、 金属离子调控和DNA链激活等细胞间相互作用的调控手段, 并重点介绍了其在细胞间作用力的测量和成像、 体外组织模型的构建、 细胞间的通讯交流和细胞免疫治疗等领域的应用. 最后对该领域进行了总结和展望, 希望为相关研究提供有益参考.     

基于滚环合成的聚分子信标用于 凝血酶的靶向检测

采用滚环扩增(RCA)合成得到的DNA长链打开带适配体的分子信标, 由于RCA长链上带有多个与分子信标(MB)互补的重复序列, 其打开分子信标的能力比单一互补短链提高了上百倍. 所形成的聚多价分子信标组装体, 在分子信标浓度相同的情况下, 打开后的荧光强度也大幅上升; 并且由于组装体上多价适配体的存在, 聚分子信标对凝血酶的靶向能力显著增强. 实验结果表明, 聚分子信标结合凝血酶后, 其荧光信号与凝血酶浓度呈线性关系, 检测灵敏度达到0.2 nmol/L, 该体系的构建有利于实现对凝血酶的高灵敏、 特异性检测.     

G-四链体DNA稳定剂的研究进展

人体端粒由富含鸟嘌呤(G)的DNA重复序列组成,该序列在一定的条件下可以形成G-四链体DNA的结构.小分子化合物诱导该结构的形成并使之稳定,不但可以抑制端粒酶的活性或降低癌基因的转录表达而达到抗肿瘤的目的,还可以作为G-四链体DNA的探针,辅助G-四链体DNA生物功能的研究及与之相关疾病的诊断.因此,G-四链体DNA稳定剂的设计是近年来化学生物学的重要前沿领域之一.到目前为止,G-四链体DNA稳定剂主要可分为有机小分子化合物和金属配合物.本文重点综述这两方面特别是后者的最新研究进展.     

小分子共价DNA的组装及生物医学应用

DNA,由于其精确的碱基互补配对、良好的生物相容性、稳定的物理化学性质,不仅可用于组装各种形状和尺寸的纳米结构,而且可以设计动态的纳米器件。为了进一步拓展DNA的应用,可通过化学修饰引入功能分子或基团,从而实现二者功能的集成。目前,DNA与高分子、树状分子、多肽和蛋白等共价有机杂化体的合成、组装及在药物运输和控释等领域的应用已研究得比较成熟,而结构和功能多样的小分子与DNA共价杂化体,由于疏水小分子体积小,其组装受到限制,近年来科研者通过结构衍生或增多芳香环等研究其组装行为及应用。本文主要综述了疏水小分子共价连接DNA后的组装行为及其在生物医药领域的潜在应用,并对这类杂化体纳米材料的研究前景进行了展望。     

类胶原多肽-DNA共聚序列自组装制备类核蛋白纳米粒子

尽管目前已有大量对自组装及生物纳米材料研究的报道,但大多数关于自下而上自组装的纳米结构仅使用1种类型的结构单元,这限制了结构和功能的多样性.受到核酸与蛋白组装成核蛋白的启发,我们设计了DNA与多肽的共聚序列,利用这2类大分子自组装时天然存在的正交性,可构建更为复杂的超分子自组装体系.研究了炔丙基甘氨酸修饰的类胶原肽pra(POG)_8通过一价铜离子催化的叠氮-炔基环加成(CuAAC)点击化学,分别成功地与2条碱基互补的DNA单链偶联,产生2种CMP-DNA共聚序列,并由变性聚丙烯酰胺凝胶电泳纯化.这2种CMP-DNA共聚序列先分别在4℃静置,由圆二色谱表征确定(POG)_8形成三股螺旋后1∶1等体积混合,促进2条DNA序列相互结合,从而形成超分子自组装的CMPDNA共聚序列.经原子力显微镜和透射电子显微镜表征,该共聚物形成了直径约为25nm、尺寸均一的纳米粒子.在目前为数不多的CMP-DNA共聚序列正交自组装研究中,该实验结果有助于人们探索自然界中多组分系统的自组装行为.     

核酸G-四链体的识别、复合物结构与细胞内探测的研究进展

富含鸟嘌呤的DNA或RNA序列可以折叠成非典型G-四链体二级结构. G-四链体结构丰富多样,在生物体内动态存在,参与了转录、复制、基因组稳定性和表观遗传调控等关键的基因组功能,与癌症生物学密切相关. G-四链体的结构与功能机制研究促进了以G-四链体为靶点的肿瘤治疗干预.本文综合评述了核酸G-四链体的特异性识别、细胞内探测及生物学功能的调控,总结了识别靶向G-四链体的小分子及复合物结构的研究进展,讨论了以G-四链体为靶点的靶向干预及疾病治疗的可能性,最后展望了G-四链体未来研究所面临的挑战与机遇.     

基于金纳米颗粒信号放大效应电化学检测DNA聚合酶

基于金纳米颗粒(AuNPs)比表面积大、 尺寸小和能够承载大量DNA片段的特点, 建立了一种免标记、 简便、 快速检测DNA聚合酶Klenow fragment exo-(KF^-)的电化学方法. 首先将巯基化的DNA引物片段修饰在金电极上, 然后加入模板DNA链以及修饰有报告DNA链的金纳米颗粒(AuNPs-DNA), 模板DNA链能同时与DNA引物片段和修饰在AuNPs上的报告DNA链进行互补杂交形成"三明治"结构, 从而将AuNPs-DNA修饰在电极表面; 当加入电活性物质钌铵(RuHex)后, RuHex可通过静电吸附作用结合在DNA上. AuNPs上修饰的报告DNA链能够吸附大量RuHex, 导致电化学信号放大. 当加入脱氧核糖核苷三磷酸(dNTPs)以及KF^-聚合酶后, 引物片段发生延伸反应, 将与模板DNA链杂交的AuNPs-DNA竞争下来, 带走大量的RuHex, 使电信号降低, 从而实现对聚合酶的检测. 实验结果表明, 利用该方法可以检测到5 U/mL的KF^-.     

核酸适体靶向的膜蛋白识别与功能调控研究进展

膜蛋白在细胞生命活动中发挥着重要作用, 研究并调控细胞膜蛋白的结构和功能有助于阐明生命活动的基本规律, 为新型药物研发和高效疾病诊治提供研究基础. 核酸适体是一类特殊的寡核苷酸序列, 因具有特异性识别靶标的能力而被广泛用于生物传感领域. 将核酸适体与DNA纳米技术相结合, 利用DNA分子可程序化设计、 可功能化修饰等优势, 发展核酸适体靶向的膜蛋白识别与功能调控方法可为研究膜蛋白相互作用提供有力工具. 本文介绍了基于核酸适体靶向识别的DNA纳米技术在膜蛋白识别及细胞功能调控中的研究进展, 并对核酸适体靶向的膜蛋白识别及功能调控领域面临的挑战进行了分析, 对其应用前景进行了展望.     

可编程DNA胶束

正DNA胶束是一段由亲水的DNA链与一段疏水链通过自组装形成的纳米结构1。得益于DNA的可编程性及其疏水链的可调控性,DNA胶束已被广泛应用于生物医学领域,例如,细胞成像、靶向药物递送以及免疫佐剂治疗等~(2–4)。然而,DNA胶束的形成通常依赖于疏水链之间的疏水-疏水相互作用,这使得其面临临界胶束浓度(Critical Micelle Concentration,CMC)较高、胶束稳定性差     

人工合成类DNA双股高分子的研究进展

脱氧核糖核酸(DNA)分子被称为"遗传微粒",在遗传信息传递和表达的过程中,以一条链为模板可精确合成出互补的另一条链,其结构中两条侧链相异而互补.随着自组装化学和有机合成技术的发展,人工合成类似于DNA结构的双股高分子成为近年来有机化学研究的热点之一.以连接基团与骨架的相互作用力为分类,从非共价键作用力和共价键作用力两方面,综述了人工合成双股高分子的研究进展.介绍了降冰片烯骨架的结构设计与空间构型的控制,并对机理进行了阐述,及其在合成立体规整的双股梯蕃高分子中的应用.     

利用DNA折纸术构建功能纳米材料

DNA折纸术(DNA origami)作为一种精确高效的自组装技术,自2006年Rothemund发明以来在生物医药、高灵敏度检测、纳米光电子器件、等离子体光子学等领域展现出巨大的应用潜力,近年来受到广大研究者的高度关注。 利用DNA折纸术构建纳米材料是以DNA origami结构为载体,通过碱基互补配对的原则及三维结构上可程序化设计和可寻址的特点精确地组装很多功能基团如金属及半导体纳米颗粒,蛋白质和单壁碳纳米管等,并应用于研究无标记的RNA杂交检测、单分子的化学反应、检测间距对多价态的配位体-蛋白质之间键合的影响等。本文对近几年来DNA origami构建功能纳米材料的研究进展加以系统综述,并对DNA origami的发展方向和应用前景进行了展望。     

硅表面分子刷图案化及生长DNA纳米管

结合"自上而下"和"自下而上"技术构建微纳米器件是目前纳米科学和技术领域追逐的目标之一。本文首先采用硅氢化反应在硅表面共价偶联引发聚合的活性基团,接着实施表面原子转移自由基聚合(ATRP)反应形成高分子刷poly(PEGMA),采用"自上而下"的光刻技术在硅表面制备功能化的图案,最后利用"自下而上"的DNA自组装技术在图案部分原位生长DNA纳米管。上述组装过程通过多次透射反射红外光谱、凝胶电泳、透射电镜和扫描电镜进行了检测,证实了硅芯片表面定位生长DNA纳米管的可行性。     

基于等离子激元耦合效应的高灵敏汞离子传感器

提出了一种基于单颗粒光谱技术,能够高灵敏检测汞离子的新方法,原理是基于汞离子诱导的纳米金自组装过程.在两种不同大小的纳米金表面分别修饰两段富含T碱基的DNA序列,当Hg²⁺存在时,两段DNA序列自发形成双链结构,导致小金球能够在大金球表面自组装成核-卫星纳米金结构,这一过程伴随着纳米颗粒散射光颜色和散射峰位置的变化,变化的程度与Hg²⁺浓度具有相关性,依托单颗粒光谱技术极高的检测灵敏度,该方法可以实现pmol/L级的检测.     

DNA G-四链体识别探针研究进展

G-四链体是一种由富含鸟嘌呤核酸序列形成的独特的二级结构,广泛分布于真核生物基因组,如端粒DNA、r DNA和一系列基因中的启动子区域。G-四链体结构对很多重要的生理过程如基因的转录、复制、重组以及保持染色体的稳定性方面具有重要作用。G-四链体的特异、高灵敏检测将为进一步了解G-四链体结构在人类细胞基因组中的分布、功能和机制奠定基础,也可能为靶向G-四链体的肿瘤治疗方法提供新的思路。因而过去几十年人们一直致力于开发设计具有高选择性和高灵敏度的G-四链体识别探针,这些探针已经广泛应用于溶液中G-四链体的识别,而且具有良好的选择性。目前也有少数探针能够直接用于检测活体G-四链体结构。本文综述了一些常见的靶向G-四链体的小分子配体,以及它们在染色体和活体细胞G-四链体检测中的应用。笔者希冀本文能为设计识别G-四链体的高性能探针,进一步实现活细胞内G-四链体的检测提供借鉴。     

咪唑修饰萘酰亚胺与DNA的作用及其细胞毒性

设计合成了咪唑及其烷基化咪唑阳离子基团修饰的萘酰亚胺衍生物。利用紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、圆二色谱和荧光共振能量转移等方法研究了它们与小牛胸腺DNA(CT DNA)和G-四链体DNA的相互作用。这些化合物对端粒DNA序列的G-四链体有很高的结合能力(K_α4×10~6 L·mol~(-1)),并能够稳定G-四链体。DNA粘度实验结果表明萘酰亚胺衍生物与CT DNA通过插入作用结合。Autodock分子对接模拟结果表明这些化合物通过疏水作用、静电作用或氢键等方式与人体端粒G-四链体的loop和沟槽部分结合。咪唑阳离子基团修饰的萘酰亚胺衍生物4a–c能够定位于细胞核,对肺癌细胞的细胞毒性要高于咪唑基团修饰的萘酰亚胺衍生物3。化合物4a和4b对肺癌细胞A549的细胞毒性明显高于正常人胚肺成纤维细胞MRC-5,表现出良好的抗癌活性。     

DNA-多肽复合分子的设计、组装与应用

DNA-多肽复合分子作为一类新型的自组装分子受到研究人员的广泛关注。DNA分子具有可编程性、高特异性、功能多样等优点,多肽分子是一类重要的生物小分子,能够通过分子自组装形成具有不同结构的纳米材料,因此,将二者通过共价交联,可以获得具有多级自组装行为的DNA-多肽复合分子,能够实现两类重要生物分子功能的集成优化,合成具有不同结构与功能的超分子自组装材料。此外,通过酶催化、DNA杂化、DNA链置换反应等,还可实现对多肽-DNA复合分子自组装行为的动态调控,进而模拟生命系统中复杂动态的自组装结构,强化相关材料在生物、化学、材料等领域的应用。本文讨论了DNA-多肽复合分子的设计、组装与应用方面的最新进展,最后基于目前DNA-多肽复合分子存在的一些问题对DNA-多肽复合分子的研究做了展望。