表面DNA物性调控的纳米探针用于端粒酶的可视化检测与细胞成像

Telomerase plays crucial roles in gene regulation, cell aging, disease occurrence and tumorigenesis. According to the challenges in telomerase visual detection, including that telomerase with low processivity or activity is not easy to be detected and on-site analysis is not yet satisfied, as well as the issues in telomerase cell imaging, including low response signal, false-positive interference and limitation in imaging within different organelles, this proposal is proposed to prepare surface DNA properties regulated nanoprobes, for detection and imaging of telomerase activity. Two parts are included in the investigation. (1) For the visual detection of telomerase, surface DNA charge distribution, three-dimensional motion and capturing capacity regulated nanoprobes will be constructed, so as to separately detect telomerase with low processivity via charge homogeneity, detect telomerase with low activity through signal amplification, and perform on-site telomerase detection by dry-reagent strip biosensor. (2) For the cell imaging of telomerase, surface DNA conformational change regulated nanoprobes with dangling strand, ratiometric signal and targeting characteristics will be constructed, so as to separately image telomerase sensitively via dangling DNA allostery, image telomerase reliably through DNA folding-induced ratiometric outputs, and image nuclear telomerase by facilitating nanoprobes to enter nucleus and DNA unwinding. The investigation of this proposal will provide intuitive, reliable and in situ analytical tool for telomerase detection, holding great importance in disease diagnosis, drug discovery and telomerase function study.

端粒酶在基因调控、细胞衰老、疾病发生和肿瘤形成等方面发挥重要作用。本项目根据端粒酶可视化检测中持续合成能力低、活性低的端粒酶不易检测和尚难满足现场分析，与细胞成像中响应信号偏弱、假阳性干扰和不同细胞器中成像尚有局限等问题，拟构建表面DNA物性调控的纳米探针，开展端粒酶活性的检测成像研究。包括：(1) 可视化检测方面，构建表面DNA电荷分布、三维动态和捕获性调控的纳米探针，分别通过电荷均匀性检测持续合成能力低的端粒酶，引入信号放大机制检测低活性端粒酶，制备干性试纸开展现场分析；(2) 细胞成像方面，构建表面DNA构象变化调控的悬垂链、比率型和靶向性纳米探针，分别通过悬垂DNA变构灵敏成像端粒酶，DNA折叠比率型输出可靠成像端粒酶，靶向进入细胞核和基于DNA解旋成像核内端粒酶。本项目的开展将为端粒酶活性检测提供直观、可靠、原位的分析工具，对疾病诊断、药物研发和端粒酶作用机制研究具有重要价值。

本项目以DNA在目标物作用下包括链长、构象、电荷等物性变化为基础，构建若干表面DNA物性变化调控的纳米探针，用于端粒酶的可视化检测和细胞成像，以及其他相关生物标志物的分析检测。研究工作包括：（1）构建运动可调控的DNA纳米镊子，端粒酶延伸产物与DNA纳米镊子手臂链的杂交使其闭合，延伸产物互补链的链取代反应使其打开，在开合过程中产生荧光共振能量转移效率变化，用于检测端粒酶活性和分析产物长度分布；（2）构建DNA末端可转变的银纳米探针，在端粒酶作用下的DNA“平端-摇摆端”转变增强了银纳米探针的稳定性，使得银纳米探针免于在平端DNA条件下发生的聚集，保持溶液颜色为黄色，用于可视化检测端粒酶活性；（3）构建顺序点亮多色DNA四面体纳米探针，延伸的端粒重复序列能够与纳米探针上的分子信标依次杂交，产生逐渐增强的不同波长处的荧光，可原位获取细胞内端粒酶活性、端粒酶对底物实时作用和延伸产物长度分布等多重信息；（4）构建若干DNA纳米机器并进行其检测应用研究，包括颗粒间相对运动的DNA步行器构建及在寨卡病毒片段检测中应用，轨道可再生的DNA步行器构建及在伊波拉病毒片段检测中应用，内源性酶触发的DNA纳米步行器用于成像活细胞内尿嘧啶-DNA糖基化酶活性，DNA纳米步行器和杂交链式反应级联信号放大的荧光生物传感器用于microRNA的无酶免标记检测；（5）发展DNA纳米尺度放大技术用于生物标志物灵敏检测，包括集成可变构探针介导的链取代扩增反应用于灵敏检测甲基转移酶活性，蛋白结合保护的链取代扩增与指数滚环扩增放大技术用于灵敏检测转录因子，多重封闭引物介导的滚环扩增反应策略用于灵敏特异检测DNA甲基转移酶活性，磁-控制适体传感器用于赭曲霉毒素A和伏马菌毒素B1的同时检测。本项目所取得的研究成果有望为癌症早期诊断、肿瘤标志物多重信息获取、原位表征及功能机制研究提供新的分析方法和技术支持。