基于链替代信号放大灵敏检测端粒酶活性的电化学方法

doi:10.7503/cjcu20200435

摘要/Abstract

摘要：

利用标记二茂铁基团的DNA(T-DNA)分子作为信号探针, 基于端粒酶特异性延长其底物链(TS)所引发的链替代反应, 建立了一种检测端粒酶活性的电化学信号放大法. 将巯基化的发夹型DNA分子(H-DNA)通过金-硫键自组装于金电极表面, 辅助DNA(A-DNA)与二茂铁修饰的T-DNA部分互补杂交形成双链AT-DNA; 当端粒酶存在时, 可在TS的3′末端合成TTAGGG的重复序列; A-DNA与TS延长链杂交置换出T-DNA; T-DNA与发夹H-DNA杂交使得二茂铁靠近电极表面; 一条TS延长链可以释放出多条T-DNA, 将二茂铁富集到金电极表面, 从而实现信号放大检测端粒酶活性. HeLa细胞个数在5~100范围内与电流值成正比, 最低可检测5个HeLa细胞中端粒酶的活性. 因此，本文建立了一种简单灵敏检测端粒酶活性的电化学方法.

关键词: 端粒酶, 链替代反应, 电化学

Abstract:

An electrochemical method was developed for sensitive detection of telomerase activity based on strand displacement reaction. A ferrocene（Fc）-labeled DNA probe（T-DNA） was designed as signal probe. The thiolated hairpin DNA（H-DNA） was used as capture probe and was self-assembled on the Au electrode surface via Au-S bond. Assisted DNA（A-DNA） partially hybridized with T-DNA to form AT-DNA duplex. In the presence of telomerase， telomerase substrate（TS） primer was elongated by adding multiple TTAGGG repeats at its 3′ terminal. The elongated DNA hybridized with A-DNA to displace T-DNA which can hybridize with H-DNA. As a result， the Fc tags are close to the Au electrode surface， producing an electrochemical signal. One elongated DNA can displace multiple T-DNAs， leading to the enrichment of Fc onto the Au electrode for signal amplification. Based on this， the peak current is linearly related with the number of HeLa cells in the range of 5―100 cells， and detection limit is down to 5 HeLa cells. Therefore， it provides a simple and sensitive approach for detecting telomerase activity.

Key words: Telomerase, Strand displacement reaction, Electrochemistry

中图分类号:

O657.1

TrendMD:

马艳蓉, 江胜男, 金燕. 基于链替代信号放大灵敏检测端粒酶活性的电化学方法. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 745.

MA Yanrong, JIANG Shengnan, JIN Yan. Sensitive and Electrochemical Detection of Telomerase Activity Based on the Signal Amplification of Strand Displacement Reaction. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(3): 745.

图/表 8

Table 1 Sequences of DNA probes

Name	Sequence(5′?3′)
A?DNA	CATCACCCTAACCCTAACTCTGCTG
T?DNA	ATGGTTTAGGGTTAGGGTGATG
H?DNA	SH?CATCACCCTAACCCTAAACCATGTGTAGATTTAGGGTTAGGGT
ACX	GCGCGGCTTACCCTTACCCTTACCCTAACC
TS	AATCCGTCGAGCAGAGTT

Scheme 1 Schematic diagram of the electrochemical detection of telomerase activity

Fig.1 Verification of telomerase activity(A) and strand displacement reaction(B) by polyacrylamide gel electrophoresisThe concentrations of DNAs are 200 nmol/L.

Fig.2 Proof?of?principle by DPV and CV(A) DPV peak current of MCH/H?DNA/Au electrode under different conditions. Reference and Auxiliary electrode is Ag/AgCl and Pt electrode, respectively. a. Lysis buffer; b. inactive telomerase; c. cell extract of HL?7702 cell; d. telomerase. (B) CV curves of Au electrode under different conditions in 5 mmol/L K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 solution at a scan rate of 100 mV/s. a. Bare Au electrode; b. MCH/H?DNA/Au electrode; c. b+inactive telomerase; d. b+telomerase.

Fig.3 Electrochemical impedance spectroscopy of Au electrode under different conditions in 0.1 mol/L KCl aqueous solution containing 5 mmol/L K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6Inset shows the electrochemical impedance spectroscopy of bare Au electrode.

Fig.4 Effect of H?DNA concentration(A) and T?DNA concentration(B) on the peak currentThe concentrations of H?DNA and T?DNA are 0.1, 0.5, 1.0, 5.0 and 10.0 μmol/L, respectively.

Fig.5 Effects of SDR reaction time(A) and hybridization time(B) on the DPV peak current

Fig.6 DPV peak current plotted against the number of HeLa cellsThe numbers of HeLa cells are 5, 10, 20, 50, 80 and 100, respectively.

参考文献 25

1	Yu G. L.， Bradley J. D.， Attardi L. D.， Blackbum E. H.， Nature， 1990， 344， 126―132
2	Hiyama E.， Yokoyama T.， Tatsumoto N.， Hiyama K.， Imamura Y.， Murakami Y.， Kodama T.， Piatyszek M. A.， Shay J. W.， Mastsuura Y.， Cancer Res.， 1995， 55， 3258―3262
3	Hiyama E.， Gollahon L.， Kataoka T.， Kuroi K.， Yokohama T.， Gazder A. F.， Hiyama K.， Piatyszek M. A.， Shay J. W.， J. Natl. Cancer Inst.， 1996， 88， 116―122
4	Sommerfeld H. J.， Meeker A. K.， Piatyszek M. A.， Bova G. S.， Shay J. W.， Coffey D. S.， Cancer Res.， 1996， 56， 218―222
5	Lin Y.， Miyamoto H.， Fujinami K.， Uemura H.， Hosaka M.， Iwasaki Y.， Kubota Y.， Clin.Cancer Res.， 1996， 2， 929―932
6	Chadeneau C.， Hay K.， Hirte H. W.， Gallinger S.， Bacchetti S.， Cancer Res.， 1995， 55， 2533―2563
7	Cohen S. B.， Graham M. E.， Lovrecz G. O.， Bache N.， Robinson P. J.， Reddel R. R.， Science， 2007， 315， 1850―1853
8	Kim N. W.， Piatyszek M. A， Prowse K. R.， Harley C. B.， West M. D.， Hop. L.， Coviello G. M.， Science， 1994， 266， 2011―2015
9	Tian L.， Weizmann Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135， 1661―1664
10	Zhang X. F.， Cheng R.， Shi Z. L.， Jin Y.， Chem. J. Chinese Universities，2016， 37（1）， 12―18（张霞菲，成锐，时志路，金燕. 高等学校化学学报， 2016， 37（1）， 12―18）
11	Gao Y. F.， Xu J.， Li B. X.， Jin Y.， Biosens. Bioelectron.， 2016， 84， 415―422
12	Zhang X.， Cheng R.， Shi Z. L.， Jin Y.， Biosens. Bioelectron.， 2016， 75， 101―107
13	Duan R.， Wang B.， Zhang T.， Zhang Z.， Xu S.， Chen Z.， Lou X.， Xia F.， Anal. Chem.， 2014， 86， 9781―9785
14	Sharon E.， Golub E.， Niazov⁃Elkan A.， Balogh D.， Willner I.， Anal. Chem.， 2014， 86， 3153―3158
15	Wang L. J.， Zhang Y.， Zhang C. Y.， Anal. Chem.， 2013， 85， 11509―11517
16	Li Y.， Li X.， Li X. T.， Li X. M.， Biosens. Bioelectron.， 2011， 26， 4095―4098
17	Liu X. J.， Li W.， Hou T.， Dong S. S.， Yu G. H.， Li F.， Anal. Chem.， 2015， 87， 4030―4036
18	Zhang H. R.， Wu M. S.， Xu J. J.， Chen H. Y.， Anal. Chem.， 2014， 86， 3834―3840
19	Shao Z. Y.， Liu Y.， Xiao H.， Li G. X.， Electrochem．Commun.， 2008， 10（10）， 1502―1504
20	Wang G. W.， Wang H.， Cao S.， Xiang W.， Li T.， Yang M. H.， Microchim. Acta， 2019， 186（2）， 96
21	Liu X. J.， Li W.， Hou T.， Dong S. S.， Yu G. H.， Li F.， Anal. Chem.， 2015， 87（7）， 4030―4036
22	Liu Y. J.， Wei M.， Liu X.， Wei W.， Zhao H. Y.， Zhang Y. J.， Liu S. Q.， Chem. Commun.， 2016， 52（9）， 1796―1799
23	Dong F.， Zhu L. Y.， Huang J.， Ren J. J.， Lei J. P.， Biosen. Bioelectron.， 2019， 138， 111313
24	Wang L.， Meng T. J.， Yu G. S.， Wu S. S.， Sun J. J.， Jia H. X.， Wang H.， Yang X. J.， Zhang Y. F.， Biosen. Bioelectron.， 2019， 124/125， 53―58
25	Li Y.， Liu B. W.， Li X.， Wei Q. L， Biosens. Bioelectron.， 2010， 25， 2543―2547

[1]	范建玲, 唐灏, 秦凤娟, 许文静, 谷鸿飞, 裴加景, 陈文星. 氮掺杂超薄碳纳米片复合铂钌单原子合金催化剂的电化学析氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220366.
[2]	江博文, 陈敬轩, 成永华, 桑微, 寇宗魁. 单原子材料在电化学生物传感中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220334.
[3]	王瑞娜, 孙瑞粉, 钟添华, 池毓务. 大尺寸石墨烯量子点组装体的制备及电化学发光性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220161.
[4]	李玉龙, 谢发婷, 管燕, 刘嘉丽, 张贵群, 姚超, 杨通, 杨云慧, 胡蓉. 基于银离子与DNA相互作用的比率型电化学传感器用于银离子的检测[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220202.
[5]	王丽君, 李欣, 洪崧, 詹新雨, 王迪, 郝磊端, 孙振宇. 调节氧化镉-炭黑界面高效电催化CO₂还原生成CO[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220317.
[6]	龚妍熹, 王建兵, 柴歩瑜, 韩元春, 马云飞, 贾超敏. 钾掺杂g-C₃N₄薄膜光阳极的制备及光电催化氧化降解水中双氯芬酸钠性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220005.
[7]	李祎頔, 田晓春, 李俊鹏, 陈立香, 赵峰. 半导体-微生物界面电子传递及其在环境领域的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220089.
[8]	刘家琪, 李天保. BiVO₄/CuBi₂O₄薄膜光电极的制备及光电性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20220017.
[9]	樊小勇, 朱永强, 毋妍, 张帅, 许磊, 苟蕾, 李东林. 三维多孔Sn-Zn合金电极助力Zn的均匀沉积/剥离[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20210861.
[10]	侯从聪, 王惠颖, 李婷婷, 张志明, 常春蕊, 安立宝. N-CNTs/NiCo-LDH复合材料的制备及电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220351.
[11]	魏闯宇, 陈艳丽, 姜建壮. 基于乙硫基取代的三层酞菁铕二聚体修饰ITO电极构筑电化学多巴胺和尿酸传感器[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210582.
[12]	蒋君, 宫田田, 张成鹏, 刘晓倩, 赵俊伟. 吡啶二羧酸修饰的稀土嵌入碲钨酸盐的合成及电化学生物识别性质[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210561.
[13]	马鉴新, 刘晓东, 徐娜, 刘国成, 王秀丽. 一种具有发光传感、安培传感和染料吸附性能的多功能Zn(II)配位聚合物[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210585.
[14]	鲍俊全, 郑仕兵, 苑旭明, 史金强, 孙田将, 梁静. 有机盐PTO(KPD)₂作为高性能锂离子电池正极材料的研究[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2911.
[15]	唐定, 衷水平. Bi_1-_xFe_xVO₄薄膜光阳极的制备及光电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2509.