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分子信標(biāo)的發(fā)展

分子信標(biāo)是一種設(shè)計巧妙的熒光探針。在長度為15-30mer寡核昔酸探針的兩端分別加上5-8mer序列互補的莖桿區(qū)。在自由狀態(tài)時由于莖桿區(qū)互補序列的結(jié)合使探針分子形成發(fā)夾狀結(jié)構(gòu)，所以又被稱為發(fā)夾探針。探針的5'端及3'端分別聯(lián)用熒光素分子及碎滅劑分子。為經(jīng)典的分子信標(biāo)結(jié)構(gòu)，其中1-氨基蔡-8-叛酸（EDANS）為熒光素，二甲氨基偶氮苯甲酚（DABSYI.）為猝滅劑。自由狀態(tài)時，發(fā)夾結(jié)構(gòu)的兩個末端靠近，使熒光分子與碎滅分子靠近（約為7-1Onm）。此時發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移，使熒光分子發(fā)出的熒光被碎滅分子吸收并以熱的形式散發(fā)，熒光幾乎*被猝滅，熒光本底極低。為分子信標(biāo)的工作原理，當(dāng)分子信標(biāo)與序列*互補的靶標(biāo)分子結(jié)合形成雙鏈雜交體時，信標(biāo)莖桿互補區(qū)被拉開，熒光分子和碎滅分子距離增大。根據(jù)Foerster理論，中心熒光能量轉(zhuǎn)移效率與兩者距離的6次方成反比。雜交后，信標(biāo)分子的熒光幾乎100%恢復(fù)。且所檢測到的熒光強度與溶液中靶標(biāo)的量成正比。

　　分子信標(biāo)中zui常用的猝滅劑是DABSYL，它對多種熒光素都有較強的熒光猝滅效率。近來Dubertret等用金納米粒子簇代替DABSYL做猝滅劑，人們還可以通過調(diào)節(jié)金屬納米簇的形狀、大小和組成而得到不同的猝滅劑。由于金納米簇對熒光試劑有著更高的猝滅效率，所以用金納米粒子代替DABSYL后，大大提高了分子信標(biāo)的靈敏度和特異性

　　分子信標(biāo)這一熒光信號傳導(dǎo)機制是基于熒光能量轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)上的。可能有兩種能量轉(zhuǎn)移的形式存在：直接的能量轉(zhuǎn)移和熒光共振能量轉(zhuǎn)移。當(dāng)熒光基團和猝滅基團距離很近時，由于兩個基團分子相互碰撞可產(chǎn)生直接的能量轉(zhuǎn)移。當(dāng)兩個基團的距離在且能量給體（熒光基團）的發(fā)射光譜與能量受體（猝滅基團）的吸收光譜有較大程度的重疊時，則可發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移。由于已發(fā)現(xiàn)（二甲基胺基苯基）偶氮苯甲酸可作為分子信標(biāo)通用的猝滅基團，它對多種發(fā)射光譜不同的熒光基團都有很好的猝滅作用。因此，直接的能量轉(zhuǎn)移可能是一種主要的熒光能量轉(zhuǎn)移機制。

　　分子信標(biāo)zui初被用作聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）的熒光探針，分子信標(biāo)工作原理，它既可以對擴增產(chǎn)物進行定量檢測，又可以對擴增的過程進行實時的監(jiān)測zui近國內(nèi)孔德明等設(shè)計出了TagMan分子信標(biāo)，也是一種性能良好的PCR熒光探針。

　　Tyagi等在發(fā)明了傳統(tǒng)的分子信標(biāo)后，又設(shè)計了一種熒光波長轉(zhuǎn)移型分子信標(biāo)，即在分子信標(biāo)的一末端連接兩個不同的熒光基團：熒光收集基團和熒光發(fā)射基團，分子信標(biāo)的另一末端連接猝滅基團。未結(jié)合靶分子時，它與傳統(tǒng)的分子信標(biāo)一樣，熒光收集基團吸收的能量傳給猝滅基團，以熱的形式放出，不產(chǎn)生熒光；當(dāng)與靶分子結(jié)合發(fā)生構(gòu)象變化后，熒光收集基團的熒光并未恢復(fù)，而是把能量以熒光共振能

　　量轉(zhuǎn)移的形式轉(zhuǎn)移給熒光發(fā)射基團，熒光發(fā)射基團將能量以熒光的形式放出。這樣可以通過選擇不同波長的熒光發(fā)射基團，從而使分子信標(biāo)按設(shè)計的要求發(fā)出不同顏色的熒光。同時，這種新型的分子信標(biāo)具有較大的斯托克位移，解決了傳統(tǒng)分子信標(biāo)中激發(fā)波長和發(fā)射波長差別較小，從而使一部分激發(fā)光通過反射和散射到達檢測器，影響靈敏度的問題。

　　TagMan分子信標(biāo)仍然保留了經(jīng)典分子信標(biāo)的莖一環(huán)結(jié)構(gòu)，不同的是，TagMan分子信標(biāo)除環(huán)部序列外，其5'一端莖序列也被設(shè)計為探針的基因識別部位。當(dāng)探針與靶標(biāo)序列發(fā)生特異互補雜交形成雙鏈時，Taq酶的5'—3'外切活性即被激活，將探針5' 端連接的熒光分子從探針上切割下來，從而使熒光分子與碎滅分子*分開，熒光恢復(fù)。TagMan分子信標(biāo)集中了TagMan探針和分子信標(biāo)兩種探針技術(shù)的優(yōu)點，在雜交和探針降解過程中TagMan分子信標(biāo)均能產(chǎn)生熒光信號，這使得TagMan探針具有更高的靈敏度。

　　根據(jù)分子信標(biāo)原理，NobukoHamaguchi等人設(shè)計了Aptamer信標(biāo)用于直接檢測蛋白質(zhì)。他們將抗凝血酶適體（Aptamer）的5'端連上一段ssDNA，使之與適體的3'端部分序列互補，形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)。自由狀態(tài)時，熒光分子與碎滅分子靠近，熒光被*碎滅。當(dāng)凝血酶存在時，適體會折疊成一定的構(gòu)象，通過三維結(jié)構(gòu)與凝血酶發(fā)生特異性結(jié)合。這樣Aptamer信標(biāo)的莖環(huán)結(jié)構(gòu)被破壞，熒光分子與猝滅分子分開，熒光恢復(fù)。通過改變Aptamer信標(biāo)的組成或莖桿區(qū)的長度，Aptamer信標(biāo)可以用于不同種蛋白質(zhì)的測定。與酶聯(lián)免疫吸附測定蛋白質(zhì)相比，Aptamer信標(biāo)技術(shù)具有簡單、直接、靈敏、省時等優(yōu)點。人們還可以將多種Aptamer信標(biāo)固定在芯片上，用于單一蛋白質(zhì)的檢測和分析。Aptamer信標(biāo)技術(shù)的缺點是不能用于檢測非特異性ssDNA結(jié)合蛋白，而且信標(biāo)的構(gòu)象受金屬離子影響很大，一些金屬離子的存在會干擾熒光信號的觀測，特殊的發(fā)夾結(jié)構(gòu)使分子信標(biāo)具有很強的特異性識別靶標(biāo)序列的能力，目前已成為分子生物學(xué)和生物技術(shù)中一種強有力的研究工具。

　　近年來，分子信標(biāo)技術(shù)得以飛速發(fā)展，已滲透到結(jié)構(gòu)和分子生物學(xué)、基因和生物技術(shù)等領(lǐng)域的各個方面。毫無疑問的是分子信標(biāo)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用空間。Chance等人已合成了一種可以診斷乳腺癌的分子信標(biāo)，這預(yù)示著分子信標(biāo)技術(shù)將會給癌癥等疾病的診斷和治療帶來重大突破?？梢灾苯佑糜跈z測非擴增靶標(biāo)序列的分子信標(biāo)技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，并倍受人們的關(guān)注，但提高檢測靈敏度仍是這項技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，隨著微量檢測技術(shù)和光譜技術(shù)的發(fā)展以及核酸酶、無機納米粒子用于分子信標(biāo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，各種新型分子信標(biāo)的出現(xiàn)，使分子信標(biāo)靈敏度的進一步提高成為了可能。另外，分子信標(biāo)還會在研究小分子一DNA的相互作用、蛋白質(zhì)一DNA的相互作以及生物傳感器的研制等領(lǐng)域里繼續(xù)發(fā)揮著自己的優(yōu)勢。