基因缺陷的精准化检测——单核苷酸多态性的单分子电学检测

2001年,美、英等国宣布实现了人类基因组的测序及绘制,标志着“人类基因组工程”(Human Genome Project,HGP)这项划时代的创举的完成,也开启了分子生物学、蛋白质组学和药物基因组学等研究的新篇章。在人类步入到后基因组时代,对于基因组测序数据的检测与分析,以及寻找个体间基因序列差异性并了解基因变异与其生理功能之间的关系,绘制出基因序列差异位点的谱图,实现精准化基因诊断成为了主要任务。

单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphism,SNP)作为人类基因组中最常见的可遗传的DNA变异,对遗传疾病的产生和基因多样性等有着非常显著的影响,因此建立一种高灵敏、高通量、准确和简便的全基因组分析方法对SNP的分型特别重要。目前的SNP分型技术大都是建立在系综水平实验中对大量DNA分子的分析上,一般都需要经过前处理或后期信号增大过程,如复杂的聚合酶链式反应(PCR)扩增步骤和昂贵的荧光标记等,大大限制了其大规模、低成本的应用。鉴于此,北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组开发出一种新型的无标记、快速简便的SNP的单分子电学检测技术,成功地实现了四等位基因的鉴别。相关成果已在线发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201700158)上。Untitled

首先,他们结合超精细的电子束曝光技术和单分子修饰策略,成功地将单个发卡状DNA探针分子组装在硅纳米线场效应晶体管上。基于该单分子生物传感器,通过实时监测单个DNA探针分子在完全匹配和不同的单碱基错配的DNA溶液中的生物行为,动态跟踪单个DNA与不同目标序列的杂交反应过程。由于发卡探针与各目标序列杂交形成的双链DNA存在热稳定性的差异,会引起单分子水平DNA杂交动力学过程出现较大的差异。最终,他们观察到器件电流呈现出不同的三稳态振荡信号,其真实地反映着单个DNA分子在目标序列的作用下,在发卡、单链和双链三个构象之间的动态转变过程。通过直接比较双螺旋构象在整个杂交过程中所占的比例,成功地完成了对四等位基因的SNP检测。该方法是基于分析单个DNA分子的杂交行为来实现的,一方面可以大大降低分析样品的需求量,大幅度减少或避免使用到复杂的PCR扩增,以及其他信号增强的流程;另一方面,基于电学的手段具有无标记的特点,可以避免昂贵的荧光标记,所以该方法可以大大降低检测成本和简化操作流程。更重要的是,硅纳米线单分子器件平台能够很好地与当代成熟的半导体硅工业兼容,未来在集成化和阵列化方面具有非常广阔的前景。因此,该方法有望成为下一代低成本、高通量、快速简便和高准确度的单核苷酸多态性基因分型技术。

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