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必威体育精装版：新型DNA酶生物传感技术在肿瘤液体活检中的研究进展

肿瘤对全球公共卫生造成严重威胁，高发病率和致死率，以及治疗成本的

增加，使其成为人类生命的重大健康挑战[1]。液体活检通过分析

体液中的生物标志物，如循环肿瘤DNA(circulatingtumorDNA,

ctDNA)、循环肿瘤细胞(circulatingtumorcell,CTC)和肿瘤来源细

胞外囊泡(tumorextracellularvesicle,TEV)等，以跟踪肿瘤的动态

进展，实现无创、全面的分子分析[2],生物传感器通过测量标志

物的浓度、活性或相互作用来提供关键信息，如肿瘤的分子特征和代谢状

态[3]。

DNA酶作为一种新兴功能核酸，基于其良好的化学稳定性、可编程性、

便于表面固定和信号转导功能化等优势，已广泛用于各种液体活检策略，

其中最为常见的为G-四链体DNA酶和RNA切割活性DNA酶。本综述

将系统总结基于DNA酶的生物传感器在肿瘤液体活检研究中的必威体育精装版进展，

探讨其在肿瘤早期诊断的应用前景，为肿瘤医学领域的进一步发展和临床

实践提供指导和启示。

一、DNA酶的基本原理及特性

1.基本原理：DNA酶是具有特定序列的小分子寡核苷酸，通过形成二维或

三维结构而具备特异结合和序列识别等功能[4]。1994年，Gerald

Joyce和RonaldBreaker发现了第一个DNA酶[5],催化RNA

的磷酸二酯键的转酯化反应。基于体外选择-指数富集配体系统进化

(SELEX)技术的发明[6],在过去三十年里科研人员已经鉴定出

各种具有催化活性的人工DNA序列，统称为DNA酶。不同的DNA酶特

异性催化DNA/RNA切割、RNA/DNA连接、炔-叠氮化物“点击”环

加成等众多化学反应，具有构建纳米器件和生物传感器元件的潜力。

2.生物特性：DNA酶具有纳米级的尺寸，可以通过化学修饰、静电吸引等

方式方便地用信号标签或纳米颗粒进行标记以产生各种类型的读出信号，

例如用于激活DNA纳米机器的催化剂和用于组装DNA纳米结构的构建块

[7,8]。同时，与蛋白质酶或核酶相比，DNA酶化学性质稳定，在

强加热、高压和化学加工过程中保持良好的稳定性，因此具有较长的保质

期和回收利用能力。DNA酶具有高催化效率，速率高达1010,催化效

率(kcat/Km)可达109M-1min-1[9]。DNA酶还有可编程

的特性，利用DNA的碱基互补配对进行受控捕获和释放，可以与多种等

温扩增技术相结合，例如滚环扩增(rollingcircleamplification,RCA)、

杂交链式反应(hybridizationchainreaction,HCR)和催化发夹组装

(catalytichairpinassembly,CHA)[10,11,12],从而进

一步增强生物传感的灵敏度。

二、用于生物传感的DNA酶的主要分类

1.RNA切割活性DNA酶(RNA-cleavingDNAzymes,RCD):RCD

是一类依赖金属离子作为辅因子的DNA酶，能够结合金属离子如Pb2+、

Zn2+等以催化RNA链上磷酸酯键的断裂，实现RNA裂解[16]。

RCD的模块化结构由底物结合臂和核心催化区组成。底物结合臂通过典

型的Watson-Crick碱基互补配对与RNA底物结合；核心催化区是酶分

子中的关键部分，具有高度保守的序列，通过金属离子的协助实现对DNA

底物的催化反应。目前在生物传感中应用最广泛的是8-17DNA酶和

10-23DNA酶。

2.8-17DNA酶：2017年，Liu等[13]报道了8-17DNA酶的三

维结构。经典的8-17DNA酶具有14个核苷酸的催化核心，其中9个核

苷酸在催化核心结构域，5个核苷酸在单链结构域。由8-17催化的RNA

切割反应通过核糖环的2-氧对磷酸二酯键的内部亲核攻击发生，形成五

配位物质(过渡态或短寿命中间体),在金属离子辅因子如Mg2+和Zn2+

等存在下，进而形成2,3-环状磷