分子信標(biāo)技術(shù)

1、分子信標(biāo)技術(shù)分子信標(biāo)技術(shù)o 分子信標(biāo)簡(jiǎn)介分子信標(biāo)簡(jiǎn)介o 分子信標(biāo)的結(jié)構(gòu)分子信標(biāo)的結(jié)構(gòu)o 分子信標(biāo)的工作原理分子信標(biāo)的工作原理o 分子信標(biāo)的應(yīng)用分子信標(biāo)的應(yīng)用o 前景與展望前景與展望分子信標(biāo)簡(jiǎn)介分子信標(biāo)簡(jiǎn)介u TyagiTyagi和和KrammerKrammer于于19961996年首次建立，目的是在液年首次建立，目的是在液相中定量測(cè)定靶標(biāo)序列。相中定量測(cè)定靶標(biāo)序列。o 基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移（基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRETFRET）設(shè)計(jì)的一種新型）設(shè)計(jì)的一種新型熒光標(biāo)記核酸探針；熒光標(biāo)記核酸探針；o 特殊的發(fā)夾結(jié)構(gòu)使得其具有背景信號(hào)低、靈敏度特殊的發(fā)夾結(jié)構(gòu)使得其具有背景信號(hào)低、靈敏度高、特異性識(shí)

2、別性強(qiáng)的特點(diǎn)；高、特異性識(shí)別性強(qiáng)的特點(diǎn)；o 廣泛應(yīng)用于分子生物學(xué)、生物技術(shù)、廣泛應(yīng)用于分子生物學(xué)、生物技術(shù)、生化分析，生化分析，生物醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷生物醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷 。分子信標(biāo)的結(jié)構(gòu)分子信標(biāo)的結(jié)構(gòu)經(jīng)典分子信標(biāo)結(jié)構(gòu)包括：經(jīng)典分子信標(biāo)結(jié)構(gòu)包括：1 1、環(huán)狀區(qū)環(huán)狀區(qū)（長(zhǎng)度（長(zhǎng)度15153030個(gè)堿基的序列，個(gè)堿基的序列，能與目標(biāo)分子特異結(jié)合）；能與目標(biāo)分子特異結(jié)合）；2 2、信標(biāo)莖桿區(qū)信標(biāo)莖桿區(qū)（長(zhǎng)度為（長(zhǎng)度為5 58 8個(gè)堿基的互個(gè)堿基的互補(bǔ)序列，使得形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)）；補(bǔ)序列，使得形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)）；3 3、5 5端熒光基團(tuán)端熒光基團(tuán)（徳克薩斯紅、熒光素（徳克薩斯紅、熒光素等染料）；等染料）；4

3、 4、3 3端猝滅基團(tuán)端猝滅基團(tuán)（DABCYL DABCYL ）。）。首例分子信標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖首例分子信標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖環(huán)狀區(qū)環(huán)狀區(qū)莖桿區(qū)莖桿區(qū)熒光基團(tuán)熒光基團(tuán)猝滅基團(tuán)猝滅基團(tuán)分子信標(biāo)工作原理分子信標(biāo)工作原理 無(wú)靶標(biāo)存在下，莖環(huán)結(jié)構(gòu)使得熒光基團(tuán)和猝滅基團(tuán)相互靠近，發(fā)無(wú)靶標(biāo)存在下，莖環(huán)結(jié)構(gòu)使得熒光基團(tuán)和猝滅基團(tuán)相互靠近，發(fā)生生FRETFRET，熒光猝滅，熒光背景極低。，熒光猝滅，熒光背景極低。 加入靶序列后，分子信標(biāo)與完全互補(bǔ)靶序列形成剛性并且更加穩(wěn)加入靶序列后，分子信標(biāo)與完全互補(bǔ)靶序列形成剛性并且更加穩(wěn)定的雙鏈雜交體，使得熒光基團(tuán)和猝滅基團(tuán)距離增大，阻止了定的雙鏈雜交體，使得熒光基團(tuán)和猝滅基團(tuán)距離增

4、大，阻止了FRETFRET的的發(fā)生，熒光恢復(fù)。發(fā)生，熒光恢復(fù)。影響分子信標(biāo)的因素影響分子信標(biāo)的因素?zé)晒鉄晒忖缁鶊F(tuán)間的距離的影響：猝滅基團(tuán)間的距離的影響： 環(huán)境環(huán)境pHpH值的影響：值的影響：pHpH過(guò)高時(shí)，莖干區(qū)堿基對(duì)之過(guò)高時(shí)，莖干區(qū)堿基對(duì)之間的穩(wěn)定結(jié)合被破壞，分子信標(biāo)變性，熒光基間的穩(wěn)定結(jié)合被破壞，分子信標(biāo)變性，熒光基團(tuán)與猝滅基團(tuán)分開(kāi)產(chǎn)生熒光。團(tuán)與猝滅基團(tuán)分開(kāi)產(chǎn)生熒光。 E E：FRETFRET效率效率R R：熒光給體與受體之間的距離：熒光給體與受體之間的距離影響分子信標(biāo)的因素影響分子信標(biāo)的因素1 1、序列長(zhǎng)度（環(huán)狀序列比莖桿序列長(zhǎng)兩倍以上，、序列長(zhǎng)度（環(huán)狀序列比莖桿序列長(zhǎng)兩倍以上，莖桿序

5、列不能過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短）莖桿序列不能過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短）2 2、莖桿序列中、莖桿序列中G G和和C C的含量不能太高的含量不能太高3 3、5 5- -端的第一個(gè)堿基最好不要選擇端的第一個(gè)堿基最好不要選擇G G4 4、由于被測(cè)對(duì)象、由于被測(cè)對(duì)象DNADNA或或RNARNA是大分子，存在扭曲現(xiàn)是大分子，存在扭曲現(xiàn)象，因此要選擇被測(cè)對(duì)象的外圍堿基序列，即容象，因此要選擇被測(cè)對(duì)象的外圍堿基序列，即容易接近的那段序列來(lái)設(shè)計(jì)信標(biāo)。易接近的那段序列來(lái)設(shè)計(jì)信標(biāo)。分子信標(biāo)設(shè)計(jì)原理分子信標(biāo)設(shè)計(jì)原理 熒光猝滅依賴(lài)的是能量共振轉(zhuǎn)移，而轉(zhuǎn)移的效率與熒熒光猝滅依賴(lài)的是能量共振轉(zhuǎn)移，而轉(zhuǎn)移的效率與熒光基團(tuán)發(fā)射光譜同猝滅基團(tuán)激發(fā)光譜的完全

6、重疊有關(guān)。為光基團(tuán)發(fā)射光譜同猝滅基團(tuán)激發(fā)光譜的完全重疊有關(guān)。為了熒光能有效猝滅，熒光基團(tuán)的發(fā)射光譜應(yīng)完全覆蓋猝滅了熒光能有效猝滅，熒光基團(tuán)的發(fā)射光譜應(yīng)完全覆蓋猝滅基團(tuán)激發(fā)光譜。符合此要求且較常用的熒光劑基團(tuán)激發(fā)光譜。符合此要求且較常用的熒光劑- -淬滅劑有：淬滅劑有：1 1、EDANSEDANS（5- (2-5- (2-氨乙基氨基奈氨乙基氨基奈-1-1-磺酸磺酸) )和和DABCYLDABCYL（4-(4-4-(4-二甲基氨基疊氮苯二甲基氨基疊氮苯) )；2 2、苯甲酸、苯甲酸6-6-熒光素和熒光素和DABCYLDABCYL ；3 3、熒光素和羅丹明、熒光素和芘丁酸、熒光素和羅丹明、熒光素和芘

7、丁酸 、香豆素和乙錠、香豆素和乙錠 熒光素和伊紅熒光素和伊紅 、一些鋱螯合物和四甲羅丹明等。、一些鋱螯合物和四甲羅丹明等。 分子信標(biāo)技術(shù)常用的熒光劑分子信標(biāo)技術(shù)常用的熒光劑- -淬滅劑淬滅劑波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移分子信標(biāo)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移分子信標(biāo)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 如果對(duì)不同分子信標(biāo)探針修飾以具有不同特征發(fā)射如果對(duì)不同分子信標(biāo)探針修飾以具有不同特征發(fā)射波長(zhǎng)的熒光發(fā)射基團(tuán)，就可在同一激發(fā)光下，通過(guò)檢測(cè)這波長(zhǎng)的熒光發(fā)射基團(tuán)，就可在同一激發(fā)光下，通過(guò)檢測(cè)這些特征波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度，些特征波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度， 實(shí)現(xiàn)在同一體系中的多基因分析。實(shí)現(xiàn)在同一體系中的多基因分析。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移分子信標(biāo)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移分子信標(biāo)表面固定分子信標(biāo)表面固定分子信標(biāo)量子點(diǎn)

8、分子信標(biāo)量子點(diǎn)分子信標(biāo)分子信標(biāo)的應(yīng)用分子信標(biāo)的應(yīng)用 核酸的檢測(cè)分析核酸的檢測(cè)分析 實(shí)時(shí)定量實(shí)時(shí)定量PCRPCR測(cè)定靶標(biāo)濃度測(cè)定靶標(biāo)濃度 活體內(nèi)核酸的動(dòng)態(tài)檢測(cè)活體內(nèi)核酸的動(dòng)態(tài)檢測(cè) 同時(shí)檢測(cè)多個(gè)靶核苷酸同時(shí)檢測(cè)多個(gè)靶核苷酸 檢測(cè)雙鏈檢測(cè)雙鏈DNADNA分子信標(biāo)的應(yīng)用分子信標(biāo)的應(yīng)用 研究研究DNADNA蛋白質(zhì)的相互作用蛋白質(zhì)的相互作用 用于核酸酶的研究用于核酸酶的研究 用于研究用于研究DNADNA蛋白質(zhì)的相互作用蛋白質(zhì)的相互作用 用作生物芯片和生物傳感器用作生物芯片和生物傳感器應(yīng)用應(yīng)用1 1、實(shí)時(shí)定量、實(shí)時(shí)定量PCRPCR測(cè)定靶標(biāo)濃度測(cè)定靶標(biāo)濃度將分子信標(biāo)簡(jiǎn)單地密封在將分子信標(biāo)簡(jiǎn)單地密封在PCR P

9、CR 管中，在每個(gè)循環(huán)的退火階段分子信標(biāo)與管中，在每個(gè)循環(huán)的退火階段分子信標(biāo)與擴(kuò)增產(chǎn)物結(jié)合產(chǎn)生熒光，未結(jié)合的分子信標(biāo)不發(fā)熒光，這樣熒光信號(hào)隨擴(kuò)增產(chǎn)物結(jié)合產(chǎn)生熒光，未結(jié)合的分子信標(biāo)不發(fā)熒光，這樣熒光信號(hào)隨著反應(yīng)循環(huán)的增加而增強(qiáng)，從而反映出著反應(yīng)循環(huán)的增加而增強(qiáng)，從而反映出PCR PCR 過(guò)程中擴(kuò)增產(chǎn)物濃度的增加。過(guò)程中擴(kuò)增產(chǎn)物濃度的增加。由于加有分子信標(biāo)的由于加有分子信標(biāo)的PCR PCR 管在整個(gè)反應(yīng)中是密封的，因此可避免傳統(tǒng)管在整個(gè)反應(yīng)中是密封的，因此可避免傳統(tǒng)PCRPCR后擴(kuò)增產(chǎn)物凝膠電泳過(guò)程帶來(lái)的污染，簡(jiǎn)化檢測(cè)手段，檢測(cè)靈敏度高。后擴(kuò)增產(chǎn)物凝膠電泳過(guò)程帶來(lái)的污染，簡(jiǎn)化檢測(cè)手段，檢測(cè)靈敏度高

10、。應(yīng)用應(yīng)用2 2、活體內(nèi)核酸的動(dòng)態(tài)檢測(cè)、活體內(nèi)核酸的動(dòng)態(tài)檢測(cè)Perlette Perlette 利用微注射法在袋鼠腎細(xì)胞質(zhì)中引入分子信標(biāo)，對(duì)單個(gè)活細(xì)胞中利用微注射法在袋鼠腎細(xì)胞質(zhì)中引入分子信標(biāo)，對(duì)單個(gè)活細(xì)胞中的的RNA RNA 進(jìn)行了檢測(cè)，并利用進(jìn)行了檢測(cè)，并利用ICCD ICCD 成像系統(tǒng)得到了一系列反應(yīng)分子信標(biāo)與成像系統(tǒng)得到了一系列反應(yīng)分子信標(biāo)與RNA RNA 結(jié)合的熒光圖像。結(jié)果表明，利用分子信標(biāo)可以有效地實(shí)時(shí)檢測(cè)活細(xì)胞中的結(jié)合的熒光圖像。結(jié)果表明，利用分子信標(biāo)可以有效地實(shí)時(shí)檢測(cè)活細(xì)胞中的RNA RNA 及研究及研究RNA/ DNA RNA/ DNA 的雜交過(guò)程。的雜交過(guò)程。分子信標(biāo)的應(yīng)

11、用分子信標(biāo)的應(yīng)用-雙鏈雙鏈DNADNA檢測(cè)檢測(cè)Human osteosarcoma cell nucleus (U2OS cell line) vitally injected with a Cy3-labelled probe specific for chromosomal telomeric repeat sequenes. Note that some spots are relatively large suggesting association or clustering of multiple telomeres.分子信標(biāo)的應(yīng)用分子信標(biāo)的應(yīng)用WhitcombeWhitcombe

12、設(shè)計(jì)的一種將設(shè)計(jì)的一種將引物與分子信標(biāo)相結(jié)引物與分子信標(biāo)相結(jié)合的蝎狀引物熒光探針。合的蝎狀引物熒光探針。在該探針中在該探針中, ,引物與引物與分子信標(biāo)之間有一間隔臂分子信標(biāo)之間有一間隔臂, ,使反應(yīng)不能往分子使反應(yīng)不能往分子信標(biāo)方向延伸。在信標(biāo)方向延伸。在過(guò)程中過(guò)程中, ,非特異擴(kuò)增產(chǎn)物不非特異擴(kuò)增產(chǎn)物不會(huì)產(chǎn)生熒光信號(hào)會(huì)產(chǎn)生熒光信號(hào), ,而當(dāng)特異而當(dāng)特異性擴(kuò)增產(chǎn)物生成時(shí)性擴(kuò)增產(chǎn)物生成時(shí), ,分子信分子信標(biāo)將立即與其進(jìn)行分子內(nèi)標(biāo)將立即與其進(jìn)行分子內(nèi)雜交雜交, ,同時(shí)發(fā)出熒光信號(hào)。同時(shí)發(fā)出熒光信號(hào)。分子信標(biāo)的應(yīng)用分子信標(biāo)的應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用3 3、同時(shí)檢測(cè)多個(gè)靶核苷酸、同時(shí)檢測(cè)多個(gè)靶核苷酸 通過(guò)選擇不同

13、的熒光分子通過(guò)選擇不同的熒光分子- -猝滅分子對(duì)，可以猝滅分子對(duì)，可以設(shè)計(jì)出不同熒光的多個(gè)分子信標(biāo)設(shè)計(jì)出不同熒光的多個(gè)分子信標(biāo)( (又稱(chēng)多色分子標(biāo)又稱(chēng)多色分子標(biāo)) )，每個(gè)分子信標(biāo)與其各自的靶標(biāo)序列雜交后，每個(gè)分子信標(biāo)與其各自的靶標(biāo)序列雜交后， 熒光熒光檢測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)到不同顏色的熒光，檢測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)到不同顏色的熒光， 這樣多色這樣多色分子信標(biāo)可對(duì)多個(gè)靶核苷酸同時(shí)定量測(cè)定。另外，分子信標(biāo)可對(duì)多個(gè)靶核苷酸同時(shí)定量測(cè)定。另外，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移分子信標(biāo)同樣可以用于核酸的多組分同時(shí)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移分子信標(biāo)同樣可以用于核酸的多組分同時(shí)定量測(cè)定。定量測(cè)定。應(yīng)用應(yīng)用4 4、用于核酸酶的研究、用于核酸酶的研究應(yīng)用應(yīng)用4 4

14、、用于核酸酶的研究、用于核酸酶的研究應(yīng)用應(yīng)用5 5、用于研究、用于研究DNA-DNA-蛋白質(zhì)的相互作用蛋白質(zhì)的相互作用 DNA DNA 和蛋白質(zhì)的相互作用的研究是目前分子生物學(xué)和和蛋白質(zhì)的相互作用的研究是目前分子生物學(xué)和生物技術(shù)研究中非常重要并迅速發(fā)展的領(lǐng)域。將分子信標(biāo)生物技術(shù)研究中非常重要并迅速發(fā)展的領(lǐng)域。將分子信標(biāo)用于用于DNA -DNA -蛋白質(zhì)相互作用的研究，蛋白質(zhì)相互作用的研究， 發(fā)揮了其簡(jiǎn)單、靈敏發(fā)揮了其簡(jiǎn)單、靈敏等特點(diǎn)，等特點(diǎn)， 又實(shí)現(xiàn)了對(duì)體系的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)體系的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 甚至可以用于活甚至可以用于活體細(xì)胞的動(dòng)態(tài)研究。體細(xì)胞的動(dòng)態(tài)研究。 Fang Fang 等以等以SS

15、BSSB、組蛋白、牛血清蛋白為對(duì)象研究了、組蛋白、牛血清蛋白為對(duì)象研究了3 3 者對(duì)分子信標(biāo)的不同影響。結(jié)果表明，分子信標(biāo)能夠很好者對(duì)分子信標(biāo)的不同影響。結(jié)果表明，分子信標(biāo)能夠很好地區(qū)分這地區(qū)分這3 3 種類(lèi)型的種類(lèi)型的DNA DNA 結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白; ;分子信標(biāo)與分子信標(biāo)與SSB SSB 具有具有很高的親和力，其結(jié)合引起的熒光上升與完全互補(bǔ)的靶相很高的親和力，其結(jié)合引起的熒光上升與完全互補(bǔ)的靶相近。并且他們進(jìn)一步研究了近。并且他們進(jìn)一步研究了SSB SSB 與分子信標(biāo)的結(jié)合動(dòng)力學(xué)，與分子信標(biāo)的結(jié)合動(dòng)力學(xué)，得出其結(jié)合常數(shù)與已經(jīng)報(bào)道的結(jié)合常數(shù)相符。得出其結(jié)合常數(shù)與已經(jīng)報(bào)道的結(jié)合常數(shù)相符。Wor

16、king mechanism of the fluorophorequencher-labeled MAB. The MAB exists at equilibrium between a nonstructured random coil and a compact intramolecular quadruplex. Addition of thrombin (gray ellipse) shifts the equilibriumin favor of the quadruplex structure, which draws the fluorophore (F) and quencher (Q) closer, leading to fluorescence quenching. The working mechanism of the donoracceptor-labeled MAB is similar to the quench-type MAB. The arrows of the backbone of the oligonucleotidesindicate the 53 polarity of DNA.分子信標(biāo)的應(yīng)用分