基于电化学表面增强拉曼光谱的单细胞水平人DNA糖基化酶hOGG1活性检测研究

Human 8-oxoguanine (8-oxoG) DNA glycosylase (hOGG1) can repair the oxidative DNA damage by recognizing 8-oxoG:C base pairs, expulsing the 8-oxoG base and cleaving the DNA back bone. The abnormal expression of intracellular hOGG1 is associated with the genesis, progress and prognosis of many malignant diseases including cancer. However, existing methods for the detection of hOGG1 activity are limited by their low sensitivity and incapacity to provide the dynamic information between protein and DNA molecules in real-time. In this project, an ultrasensitive spectroelectrochemical strategy for hOGG1 activity assay is developed by coupling cyclic voltammetry and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). The protocol relies on the inhibition of DNA chemistry after damage repair by hOGG1 proteins. The single-molecule sensitivity of SERS allows us to profile the heterogeneity of hOGG1 activity at the single cell level. This project will provide a novel and more effective platform for getting a deep insight into the molecular biological mechanism of DNA damage repair, and prevention and early diagnosis of the associated cancers.

人8-羟基鸟嘌呤DNA糖基化酶（human 8-oxoguanine DNA glycosylase，hOGG1）能够特异性切除8-羟基鸟嘌呤修复氧化受损的DNA。细胞内hOGG1的表达异常及功能改变与包括恶性肿瘤在内的多种重大疾病的发生、发展及预后密切相关。但是，目前hOGG1活性检测方法灵敏度较低，且无法提供酶和DNA分子相互作用的实时动态信息。本项目拟结合电化学和表面增强拉曼光谱技术，利用hOGG1和受损DNA作用导致核酸分子电子传递性质改变的生物物理机制，借助SERS技术的单分子检测能力，发展高灵敏度、高选择性的原位分析新方法，实时研究hOGG1对受损DNA的碱基切除修复过程，以及在单细胞水平上考察hOGG1活性水平的异质性。本课题将为深入理解DNA修复过程的分子生物学机理，为相关癌症的早期预防和诊断提供新的更加有效的技术平台。

发展高灵敏度、高时空分辨的生化分析新方法是深层次理解生理病理过程机制、实现重大疾病早期精准诊断的关键。本项目围绕新型等离子体活性功能纳米界面的构建、光学性质调控及其在单细胞、单颗粒尺度分子信息定量提取等方面的应用研究开展了一系列工作。在本项目的资助下，建立了新型表面增强拉曼光谱（SERS）方法定量测定糖基化酶hOGG1活性；借助酶的特异性、高效催化性质，提出了单细胞水平酶活性以及抑制剂筛选光谱分析新策略；通过引入小分子探针化学反应识别机制，发展了面向多种重要疾病代谢标志物的SERS即时诊断新技术。此外，通过引入电化学技术，实时观测微米尺度表面分子氧化还原状态及其和溶液pH值等外部条件的互作关系；通过自组装技术，实现对纳米尺度电磁场性质的精细调控，阐述了局部场强以及纳米粒子结构异质性对表面分子结构催化转化的影响。本项目为新型等离子体活性生物传感器件和探针的构筑提供了新方法，也为微纳米尺度生命相关分子信息的原位、实时提取和定量分析研究提出了新思路。