DNA损伤的光电化学传感器检测_吴一萍

Ｒeview Contents 1 2 3 4 4. 1 4. 2 4. 3 4. 4 4. 5 5 Introduction Types of DNA electrochemical sensors Electrochemical sensors for DNA damage detection Photoelectrochemical sensors for DNA damage detection Photoelectrochemical detection method Sensing mechanisms for DNA damage detection Generaltype sensors Specifictype sensors Investigation of chemicalinduced DNA damage Conclusions and perspectives 快速筛查。
PＲOGＲESS IN CHEMISTＲY
化学进展
DOI： 10. 7536 / PC130853
DNA 损伤的光电化学传感器检测 *
吴一萍
＊ 郭良宏 ＊
（ 中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室 摘 要
北京 100085 ）
DNA 是生物体主要的遗传物质，DNA 损伤在生物体内经常发生。 一些内源性和外源性物质可对 细胞核内 DNA 造成氧化和修饰等结构性损伤。 未经修复的损伤 DNA 可导致基因突变甚至癌症的发生。 DNA 电化学传感器具有快速、 灵敏、 低成本和易于小型化等优势， 非常适用于化学品和环境化合物致 DNA 损伤毒性的快速筛查。本文首先简要介绍目前流行的 DNA 电化学传感器的类型和工作原理 ， 然后以我们实 验室的工作为基础， 重点论述针对 DNA 损伤检测的电化学和光电化学传感器， 包括用于化合物基因毒性快 速鉴定的通用型传感器和特定 DNA 损伤产物（ 8羟基脱氧鸟苷， 甲基化 DNA 碱基 ） 定量检测的专用型传感 器。最后对 DNA 损伤电化学传感器目前存在的问题和未来可能的发展方向进行展望 。 关键词 光电化学检测 DNA 损伤 毒性筛查 281X（ 2014 ） 01000109 中图分类号： O657. 1 ； Q523 ； TP212. 2 文献标识码： A 文章编号： 1005DNA 传感器
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DNA 电化学传感器
DNA 电化学传感器是以 DNA 作为生物敏感元 以电极作为换能器， 对产生的电信号进行检测的 件， 分析仪器。当被分析物与电极表面固定的 DNA 分 子发生反应后， 产生的物理或化学变化可以被相应 由此得到 的换能器转化成可以定量处理的电信号， ［12 ］ 被分析物的相关信息 。 DNA 电化学传感器根据 原理不 同 可 分 为 4 大 类： 直 接 DNA 电 化 学、 间接 DNA 电化学、 氧化还原指示剂型和纳米电化学 。 DNA 的 4 种碱基 （ A，T，G，C ） 可以在多种材 质电极表面发生氧化还原反应， 氧化还原电位与碱 DNA 构象和电极材料相关。 滴汞电极差分 基种类、 脉冲极谱法检测 DNA 时， 单链小牛胸腺 DNA 出现
化学进展
现在已经有一些针对 DNA 损伤产物的检测方 法， 大致可分为两类： 一类是先对生物样品 （ 如细 胞） 中的 DNA 进行提取和酶解， 然后利用色谱质谱 或色谱电化学联用技术确定损伤产物的种类和含 而且灵敏度较高， 可 量。这类方法的特异性非常好， 7 以从 10 个正常碱基中检测出一个受损碱基， 但样 品处理非常复杂、 繁琐， 而且依赖于昂贵的大型分析 ［5 ～ 8 ］ 。另一类属于传感器检测， 仪器 利用特异性的 化学或生物探针（ 如抗体 ） 对 DNA 损伤产物进行识 别和标记， 然后根据标记分子产生的物理信号 （ 光、 电、 热、 磁力等） 对损伤产物进行定量。 该类方法不 可利用常规的实 需要对提取的 DNA 进行酶解处理， 电化学仪器测定信号， 具有操作 验室仪器如光谱仪、 简单、 耗时少等优点。可以用于 DNA 损伤产物检测 的传感器方法有很多， 包括荧光、 表面等离子体共 ［9 ］ 振 、 化学发光等光学方法，循环伏安、 差分脉冲、 阻抗等电化学方法以及石英晶体微量天平 测重法。
·2·
［3 ， 4 ］
等
作为电信号检测方法， 电化学具有响应时间快、 仪器成本低、 操作简单、 易于小型化、 便于携带等优 点， 因此特别适合作为生物传感器的信号检测技术 。 下面我们首先对不同类型的 DNA 电化学传感器及 其工作原理作简单的介绍， 然后重点介绍近期国内 外在 DNA 损伤电化学传感器方面的研究进展 ， 其中 主要部分是我们研究组近些年来在 DNA 损伤光电 化学传感器方面的研究工作， 包括用于化合物基因 毒性快速鉴定的通用型传感器和特定 DNA 损伤产 羟基脱氧鸟苷， 甲基化 DNA 碱基） 定量检测的 物（ 8专用型传感器。
收稿： 2013 年 8 月，收修改稿： 2013 年 10 月（ 特约） ， 网络出版： 2013 年 12 月 25 日 * 国家杰出青年科学基金项目 （ No． 20825519 ） 和国家自然科学基金项目（ No． 21375143 ） 资助 The work was supported by the National Science Foundation for Distinguished Young Scholars of China （ No． 20825519 ） and the National Natural Science Foundation of China （ No． 21375143 ） ＊ ＊Corresponding author email： LHGuo@ rcees． ac． cn http： / / w w w ． progchem． ac． cn Progress in Chemistry ， 2014 ， 26 （ 1 ） ： 1 ～ 9
Photoelectrochemical Sensors for the Detection of DNA Damage *
Wu Yiping
＊ G uo Lianghong ＊
（ State Key Laboratory of Environmental Chemistry and Ecotoxicology ，Ｒesearch Center for EcoEnvironmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085 ，China） Abstract DNA is a kind of genetic material that encodes the genetic instructions used in the development and
functioning of all know n living organisms and many viruses． DNA damage occurs frequently in organisms． Some endogenous and exogenous chemicals have been found to induce structural damages to nuclear DNA by base oxidation or modification． If unrepaired，these damaged DNA may lead to gene mutation and even tumor generation． Due to their short response time， high sensitivity ， low cost and ease of miniaturization， electrochemical DNA sensors are w ell qualified for the rapid screening of industrial and environmental chemicals for their potential genotoxicity． This review article first introduces briefly the types and w orking mechanisms of current electrochemical DNA sensors． Then it describes in more detail the w ork on electrochemical and photoelectrochemical sensors for the detection of DNA damage， based largely on the w ork of our ow n laboratory ，including general type sensors for the rapid screening of industrial and environmental chemicals w ith potential genotoxicity ，as w ell as specific type sensors for the identification and quantification of DNA damage products such as 8oxodGuo and methylated DNA bases． In the end，the existing problems and future research directions of the DNA damage electrochemical sensors are discussed． Key words DNA sensor； photoelectrochemical detection； DNA damage； toxicity screening
［10 ， 11 ］
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引言
DNA 损伤是生物体内经常发生的事件。 据估 4 6 ， 计 单个细胞中的 DNA 每天会发生 10 ～ 10 次损 ［1 ］ 伤 。损伤类型主要包括 DNA 氧化 （ 碱基氧化， 碱 单、 双链断裂） 和碱基修饰 （ 碱基加合物， 碱 基脱落， 基甲基化， 嘧啶二聚体 ） 这两大类。 细胞内一些正 常生理过程产生的内源性化合物 （ 比如活性氧物种 ＲOS） 可以造成 DNA 损伤。当细胞受到有毒有害的 外源性化合物侵入后， 这些化合物或其生物代谢物 也可以在体内与其 可以直接作用于 DNA 造成损伤， ［2 ］ 他物质反应后生成具有损伤能力的新物种 。 例 如， 环境中的芳香胺或多环芳烃类化合物 （ PAH ） 进 入生物体后， 会被代谢成具有高反应活性的中间体 ， 这些中间体与 DNA 反应生成具有高致癌性的碱基 加合物。为保证遗传信息的完整， 细胞进化出一套 而且不同类 完善的机制专门负责 DNA 损伤的修复， DNA 。 ， 别的 损伤其修复途径不同 例如 光照引起的 嘧啶二聚体主要通过切除途径修复， 修复过程涉及 核酸内切酶对受损碱基的特异性剪切及聚合酶参与 的新链合成与连接。对于损伤程度较大的双链断裂 。 当遇到特定类型可能致 则通过重组途径修复 命的 DNA 损伤时， 细胞还会开启应激反应 （ SOS 反 应） 来保护自己。对于那些自身或修复途径存在缺 一旦受到有毒有害物质的攻击就很容易 陷的细胞， 发生永久性的 DNA 损伤， 导致生物体基因突变， 影 响细胞正常生理功能， 甚至诱发癌症。因此， 有必要 建立针对 DNA 损伤产物的高特异性、 高灵敏度检测 方法， 对细胞内 DNA 受损害的程度进行准确、 定量 的鉴定。另外， 在广泛使用的化学品中， 相当一部分 具有损伤 DNA 的潜能。 因此， 也有必要发展简单、 、 ， 快速 低成本的检测方法 对化学品的基因毒性进行