分子信標(biāo)的最新發(fā)展
1996年Tyagi和Kramer首次建立了分子信標(biāo)探針，最初目的是能在液相中定量測(cè)定靶標(biāo)的量。分子信標(biāo)技術(shù)以其操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、特異性強(qiáng)、可對(duì)核酸進(jìn)行實(shí)時(shí)定量測(cè)定、甚至可以用于活體分析等特點(diǎn)不僅在生物學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用，而且在疾病基因檢測(cè)與診斷等生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)和臨床研究中也將充當(dāng)重要的角色。
近來(lái)，人們通過(guò)改變經(jīng)典分子信標(biāo)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出許多新型的分子信標(biāo)，如用ssDNA鏈做環(huán)、用RNA-DNA雙鏈做莖的RNA-DNA嵌合型分子信標(biāo)，用PNA鏈代替ssDNA形成的PNA分子信標(biāo)等。新型分子信標(biāo)的出現(xiàn)為分子信標(biāo)的進(jìn)一步應(yīng)用拓寬了領(lǐng)域。
（1）分子信標(biāo)
分子信標(biāo)是一種設(shè)計(jì)巧妙的熒光探針。在長(zhǎng)度為15-30mer寡核昔酸探針的兩端分別加上5-8mer序列互補(bǔ)的莖桿區(qū)。在自由狀態(tài)時(shí)由于莖桿區(qū)互補(bǔ)序列的結(jié)合使探針?lè)肿有纬砂l(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(shí)，發(fā)夾結(jié)構(gòu)的兩個(gè)末端靠近，使熒光分子與碎滅分子靠近(約為7-1Onm)。此時(shí)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)，熒光幾乎完全被猝滅，熒光本底極低。
為分子信標(biāo)的工作原理，當(dāng)分子信標(biāo)與序列完全互補(bǔ)的靶標(biāo)分子結(jié)合形成雙鏈雜交體時(shí)，信標(biāo)莖桿互補(bǔ)區(qū)被拉開(kāi)，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(cè)到的熒光強(qiáng)度與溶液中靶標(biāo)的量成正比。
分子信標(biāo)中最常用的猝滅劑是DABSYL，它對(duì)多種熒光素都有較強(qiáng)的熒光猝滅效率。近來(lái)Dubertret等用金納米粒子簇代替DABSYL做猝滅劑，人們還可以通過(guò)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(duì)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(hào)傳導(dǎo)機(jī)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(tuán)和猝滅基團(tuán)距離很近時(shí)，由于兩個(gè)基團(tuán)分子相互碰撞可產(chǎn)生直接的能量轉(zhuǎn)移。
當(dāng)兩個(gè)基團(tuán)的距離在且能量給體（熒光基團(tuán)）的發(fā)射光譜與能量受體（猝滅基團(tuán)）的吸收光譜有較大程度的重疊時(shí)，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(tuán)，它對(duì)多種發(fā)射光譜不同的熒光基團(tuán)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(jī)制。
分子信標(biāo)最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(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行定量檢測(cè)，又可以對(duì)擴(kuò)增的過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)最近國(guó)內(nèi)孔德明等設(shè)計(jì)出了TagMan分子信標(biāo)，也是一種性能良好的PCR熒光探針。
（2）熒光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移型分子信標(biāo)
Tyagi等在發(fā)明了傳統(tǒng)的分子信標(biāo)后，又設(shè)計(jì)了一種熒光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移型分子信標(biāo)，即在分子信標(biāo)的一末端連接兩個(gè)不同的熒光基團(tuán)：熒光收集基團(tuán)和熒光發(fā)射基團(tuán)，分子信標(biāo)的另一末端連接猝滅基團(tuán)。
未結(jié)合靶分子時(shí)，它與傳統(tǒng)的分子信標(biāo)一樣，熒光收集基團(tuán)吸收的能量傳給猝滅基團(tuán)，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(tuán)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(tuán)，熒光發(fā)射基團(tuán)將能量以熒光的形式放出。
這樣可以通過(guò)選擇不同波長(zhǎng)的熒光發(fā)射基團(tuán)，從而使分子信標(biāo)按設(shè)計(jì)的要求發(fā)出不同顏色的熒光。同時(shí)，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(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)差別較小，從而使一部分激發(fā)光通過(guò)反射和散射到達(dá)檢測(cè)器，影響靈敏度的問(wèn)題。
（3）TagMan分子信標(biāo)
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(jì)為探針的基因識(shí)別部位。當(dāng)探針與靶標(biāo)序列發(fā)生特異互補(bǔ)雜交形成雙鏈時(shí)，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(lái)，從而使熒光分子與碎滅分子徹底分開(kāi)，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(diǎn)，在雜交和探針降解過(guò)程中TagMan分子信標(biāo)均能產(chǎn)生熒光信號(hào)，這使得TagMan探針具有更高的靈敏度。
（4）Aptamer信標(biāo)
根據(jù)分子信標(biāo)原理，NobukoHamaguchi等人設(shè)計(jì)了Aptamer信標(biāo)用于直接檢測(cè)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(bǔ)，形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)。自由狀態(tài)時(shí)，熒光分子與碎滅分子靠近，熒光被完全碎滅。當(dāng)凝血酶存在時(shí)，適體會(huì)折疊成一定的構(gòu)象，通過(guò)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(kāi)，熒光恢復(fù)。通過(guò)改變Aptamer信標(biāo)的組成或莖桿區(qū)的長(zhǎng)度，Aptamer信標(biāo)可以用于不同種蛋白質(zhì)的測(cè)定。
與酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定蛋白質(zhì)相比，Aptamer信標(biāo)技術(shù)具有簡(jiǎn)單、直接、靈敏、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。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(cè)和分析。Aptamer信標(biāo)技術(shù)的缺點(diǎn)是不能用于檢測(cè)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(huì)干擾熒光信號(hào)的觀測(cè)，特殊的發(fā)夾結(jié)構(gòu)使分子信標(biāo)具有很強(qiáng)的特異性識(shí)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(qiáng)有力的研究工具。
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