北大等开发竞争性DNA检测体系打破灵敏度

2019年10月14日，华中科技大学同济医院肖先金、王洪波及北京大学赵美萍共同通讯在Nature Communications上发表题为“Thermodynamics and kinetics guided probe design for uniformlysensitive and specific DNA hybridization without optimization”的研究论文，该研究发明了基于四向链取代的竞争性DNA检测体系，打破了灵敏度和特异性的本质矛盾，实现了在统一条件下、无优化、高特异性地检测人类基因组中16个热点突变，并在卵巢癌实际样品上验证了方法的临床实用性。

总而言之，该研究建立了竞争性DNA杂交的完整理论模型，该模型描述了敏感性和特异性随阻断链长度和浓度的变化。

长期以来，敏感和特异的DNA杂交一直是基于DNA的传感器，分析方法和材料的本质和基础。特别是对于微小的遗传变异的检测，这是各种分子诊断测定的核心步骤，例如基因分型，DNA微阵列和突变检测，要求该方法具有高度的敏感性和敏感性，特别是循环肿瘤DNA（ctDNA）是目前最有希望用于癌症早期诊断的生物标志物。

因此，对ctDNA的检测要求该方法对突变型DNA和野生型DNA具有高度区分性，而突变型DNA和野生型DNA彼此之间只有一个碱基的区别。已经开发出许多用于鉴定单碱基错配的核酸测定法，包括具有复杂结构的探针，酶辅助DNA探针，条形码测定法，选择性PCR和下一代测序。原则上，所有这些方法在其工作程序的某些步骤都依赖于DNA杂交的特异性。但是，即使在最佳条件下，如何区分单碱基错配也是具有挑战性的，特别是对于稳定的错配，例如X：G（X = A，T，G），与其他类型的错配相比，其热力学变化要小得多。

系统进行建模和验证

研究人员提出一个新颖的系统：线位移探针/标准阻滞剂组成系统，发现特异性并非总是在所有情况下都超过[B] 0和-∆GBW。对于某些热力学参数，当改变[B] 0和-∆GBW时，特异性曲线可能会出现较小的波动。但是即使那样，波动的幅度仍然很小，以至于总体上，特异性似乎在[B] 0和-∆GBW范围内都在增加。

尽管该研究的灵敏度和特异性仍然是反相关的，但是与[B] 0和-∆GBW非常大时，灵敏度与常规探针/阻滞剂组成系统不同，不再降至0。这是一项重大进步，因为可以简单地增加阻滞链的长度和浓度来增强系统的特异性，而不必担心过多的敏感性损失。用于检测的最佳区域非常宽，因此可以简化优化过程。

敏感而特异性的DNA杂交对于核酸化学至关重要。探针和阻滞剂的竞争组成因其相对较高的灵敏度和特异性而成为最常用的探针设计。然而，敏感性和特异性在阻断链的长度和浓度上成反比，使得优化过程繁琐。该研究构建了竞争性DNA杂交的理论模型，该模型揭示了热力学和动力学都有助于逆相关。

部分研究成员

以此为指导，发明了四向链交换LEd竞争性DNA测试（SELECT）系统，该系统打破了逆相关性。该研究发明了基于四向链取代的竞争性DNA检测体系，打破了灵敏度和特异性的本质矛盾，实现了在统一条件下、无优化、高特异性地检测人类基因组中16个热点突变，并在卵巢癌实际样品上验证了方法的临床实用性。总而言之，该研究建立了竞争性DNA杂交的完整理论模型，该模型描述了敏感性和特异性随阻断链长度和浓度的变化。

研究背景

在核酸探针领域，灵敏度和特异性是评价检测方法性能的重要指标。探针/竞争链组合体系具有较高的灵敏度和特异性，因而被广泛应用。然而，随着竞争链长度和浓度的变化，组合体系的灵敏度和特异性呈现固有的反比关系，造成体系的设计、优化极为繁琐，极大地限制了探针技术在高通量突变检测领域中的应用。