人类的毛发颜色、虹膜颜色等大多数表观形貌都离不开人类染色体组中基因的不同变化，有些基因变异可赋予人类特殊的性状和功能，比如抵抗艾滋病毒的侵入、提高人们对乳糖的耐受性，但绝大多数的基因变异会诱发癌症和遗传性疾病的产生和进化。因此，及时发现特定的基因变异能够有助于人们预知遗传性疾病发生的概率或癌症发生的种类和分期单碱基突变是基因变异中最常见的形式，在人类基因组中约2~3万个基因中发现单个碱基突变如同在茫茫大海中捞针一样困难。
近期，天津大学化工学院仰大勇（点击查看介绍）课题组借助于DNA纳米技术，实现了单碱基突变的精准、快速和无酶化检测。他们设计了一种基于枝状DNA纳米结构的靶标触发聚合体系（target-triggered polymerization，TTP），两种枝状DNA单体在特异性靶标序列的触发下快速聚合，实现快速、无酶化的碱基突变检测。该体系无需酶的参与，仅在靶标序列的存在下发生，具有极好的特异性和皮摩尔级别的灵敏度。TTP反应在一系列复杂环境中表现出很好的稳健性，适用于不同水质、模拟体液和血清环境，为未来的实际应用奠定了良好的基础。TTP体系可有效区分不同数目的碱基突变（1-4个碱基），以及单碱基突变的不同位置，主要归功于TTP能同时有效提高碱基突变序列与正常序列间的杂交动力学和热力学差异。另外，研究人员在TTP体系的基础上发展了一种预测核酸杂交概率的理论模型，为核酸杂交研究提供了一种有用的工具。
图1. 基于枝状DNA的靶标触发聚合（TTP）反应通过同步进行的靶标识别和信号放大技术实现无酶化快速单核苷酸突变检测。正常DNA同时作为两种X型DNA的连接链和反应的触发剂，诱导X型DNA聚集以形成DNA纳米球，而突变DNA无法引发X型DNA的聚集，表现出较低的信号强度。
该研究丰富了DNA纳米技术在碱基突变这一领域的应用，有助于精准医疗和个性化医疗在实际生活中的推广，同时对于揭示生物学现象、探索疾病治疗方法具有重要的启示意义。研究结果发表于Cell子刊iScience 上，相关成果已申请中国发明专利。天津大学化工学院博士研究生董宇航和姚池老师为论文共同第一作者。研究得到国家自然科学基金的资助支持。
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Target-Triggered Polymerization of Branched DNA Enables Enzyme-free and Fast Discrimination of Single-Base Changes
Yuhang Dong, Chi Yao, Zhi Wang, Dan Luo, Dayong Yang
iScience, 2019, 21, 228-240, DOI: 10.1016/j.isci.2019.10.029
导师介绍
仰大勇 博士，天津大学化工学院教授、院长助理，入选国家级海外人才计划、国家优青、天津市杰青。现任天津大学校学术委员会委员、中国生物医学工程学会纳米医学与工程分会委员。课题组研究方向是材料化学与生物医学的交叉领域，聚焦DNA合成与智能制造，利用材料化学的手段理解生命系统运行机制，探索重大疾病的诊断治疗新途径。
仰大勇
https://www.x-mol.com/university/faculty/48490
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