G四链体荧光探针和pH调控的DNAzyme的设计及应用

【摘要】：核酸是生物的遗传物质,染色质以DNA的双螺旋结构存在着。除了双螺旋结构,DNA还可以形成许多其他结构。除却Watson-Crick氢键,四种碱基环的其他位置还存在着可以形成氢键的氮氧原子,正是由于这种结构特性,使DNA可以形成更加复杂的结构。比如G四链体、i-motif和DNAtriplex结构。此外,特殊序列和结构的DNA具备催化活性,催化核酸断裂、DNA连接、DNA磷酸化、胸腺嘧啶二聚体修复等活动,这种DNA称为DNAzyme。这些结构都有其各自的特性,大大丰富了核酸的功能,使DNA不仅可以成为遗传物质,还可以用于生命过程的调控,以及作为工具被人们使用。在本论文中,我们主要聚焦两部分的内容:(1)新型G四链体荧光探针G四链体是由富含串联重复鸟嘌呤(G)的核酸折叠形成的高级结构。G-四分体是四链体的结构单元,由Hoogsteen氢键连接4个G形成环状平面,两层或以上的四分体通过π-π堆积形成四链体。G四链体广泛的存在于人的端粒序列和原癌基因的启动子区域,它能够保持端粒结构稳定性,抑制原癌基因的表达。检测G四链体可以为G四链体生物功能的研究提够有效的工具。许多G四链体的荧光探针已被开发出来,并且可用于体内G四链体的检测。检测内生的G四链体需要荧光探针没有G四链体诱导效应,这是G四链体荧光探针需要改进的地方。方酸菁是一类激发波长在红光到近红外之间的花青染料,这种光对生物体没有伤害。该染料荧光发射强度高,光化学稳定性好,被广泛的用来制备光电设备。本论文中,我们开发了第一例方酸菁类G四链体荧光探针TSQ1。TSQ1能够特异性地荧光检测G四链体结构,对单链DNA和双链DNA几乎没有荧光响应,并且激发和发射波长分别为610nm和650nm,在红光区,在体外对G四链体的检测能够可视化。此外,TSQ1没有G四链体诱导效应,为TSQ1检测体内内源的G四链体结构提够了可能性。(2)pH 调控的 DNAzymeDNAzyme是一类具有催化功能的DNA片段,具有高效的催化活性和序列识别能力,被广泛应用于各类纳米机器的设计和组装中。DNAzyme的催化活性主要受催化活性中心、底物序列等因素控制,利用pH调控DNAzyme催化活性的研究目前还很少被报道。pH是一种非常重要的生理条件,稳定的pH环境维持着生理活动的正常进行。I-motif结构和TC型DNA triplex结构是两种pH调控的结构,酸性条件下,这两种结构会形成,在碱性条件下,这两个结构会被打开。我们利用这一特性,分别将i-motif结构和triplex DNA结构引入到DNAzyme的催化活性中心中,开发两种新型的pH调控的DNAzyme,称为iMNAzyme和TNAzyme。这两种DNAzyme的催化活性均可随着pH变化而变化,并且各自存在一个最适pH值。通过调控i-motif结构和triplex DNA结构的序列,我们设计了一系列的iMNAzyme和TNAzyme,这些DNAzyme具备不同的最适pH值,从pH5.6到7.2不等。此外,它们对pH变化的灵敏度也各不相同。我们选取了一种催化活性强、灵敏度高的iMNAzyme,将其应用于DNA walker纳米机器的设计中,成功的开发出一种“行走”速率可调的新型DNA walker。