肖先金/赵美萍/汪宏波团队基于DNA杂交理论模型，构建高通量突变检测体系

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原标题：Nat Comm：肖先金/赵美萍/汪宏波团队基于DNA杂交理论模型，构建高通量突变检测体系

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/竞争链组合体系通过引入竞争链增强了体系的特异性，因而被广泛应用。但其灵敏度和特异性却呈现出反比关系的固有矛盾，使得竞争性检测体系的设计优化难度大幅提高。检测体系难以取得最佳检验性能，并且在进行高通量检测受到极大限制。

2019年10月14日，华中科技大学肖先金副教授课题组联合北京大学化学与分子工程学院赵美萍教授课题组、华中科技大学附属协和医院妇产科汪宏波教授课题组（第一作者为陈鑫，刘娜和刘理权）在Nature Communications杂志上发表了文章Thermodynamics and kinetics guided probe design for uniformly sensitive and specific DNA hybridization without optimization，构建了竞争性DNA杂交的理论模型，从热力学和动力学角度深刻地揭示了探针/竞争链组合体系的灵敏度和特异性呈反比的根源。

针对这一瓶颈，课题组发明了基于四向链取代的竞争性DNA检测体系(4-way Strand Exchange LEd Competitive DNA Testing system，4-way SELECT system)，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。据悉，本文发明的方法是核酸探针和突变检测领域的全新思路，受到Nature Communications审稿人的高度评价，一致认为是对该领域的重要贡献。

团队首先针对常规分子信标/竞争链组合检测体系构建了热力学模型，观察其灵敏度和特异性关于竞争链长度及浓度变化的关系，证明了传统探针/竞争链组合体系的灵敏度和特异性存在负相关关系。通过进一步探究其动力学过程，团队最终发现热力学上的负相关和动力学“陷阱”（kinetic trap）共同作用造成了灵敏度的下降。在热力学、动力学模型的指导下，团队提出了4-way SELECT检测体系（图1），并从理论和实验上证实了4-way SELECT体系打破了灵敏度和特异性之间的负相关性。

图 1：四向链取代引导竞争DNA检测系统反应途径，灵敏度特异性变化及体系的优化区域。

随后，课题组证明了4-way SELECT系统对各型突变检测效果良好，并且能够检测0.1%的低丰度突变。4-way SELECT系统具有序列设计和条件优化过程简单易行的突出优点，团队使用该系统在统一条件下，无优化高特异性地检测了16个人类基因组热点突变。展示了该体系在高通量检测领域的潜力。而对卵巢癌患者和健康志愿者的血液样本中提取的基因组DNA的检测结果表明，该体系具有极高的临床实用性（图2）。

图 2：无优化高特异性地检测了人类基因组中16个热点突变，血液样本基因组DNA检测结果。

肖先金课题组自2016年7月成立以来，在生命科学技术领域内已发表多篇论文，建立了坚实丰厚的理论和技术基础。肖先金副教授本、硕、博均毕业于北京大学，是华中科技大学同济医学院生殖健康研究所2016年引进人才，目前主持了国家自然科学基金青年项目、面上项目，湖北省重大科技攻关子课题等8个项目，获得了武汉市晨光计划、华中科技大学学术新人奖等人才奖励。入职三年来，发表第一作者论文1篇，通讯作者论文10篇，包括Nature Communications、Nucleic Acids Research、Chemical Science、 Analytical Chemistry、Chemical Communications等。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12593-9

参考文献

1. Li, X. Y. et al. Liquid biopsy of circulating tumor DNA and biosensor applications. Biosens. Bioelectron. 126, 596-607, doi:10.1016/j.bios.2018.11.037 (2019).

2. Wang, J. S. & Zhang, D. Y. Simulation-guided DNA probe design for consistently ultraspecific hybridization. Nat. Chem. 7, 545-553, doi:10.1038/nchem.2266 (2015).

3. Cohen, J. D. et al. Combined circulating tumor DNA and protein biomarker-based liquid biopsy for the earlier detection of pancreatic cancers. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 114, 10202-10207, doi:10.1073/pnas.1704961114 (2017).

4. Xiao, X. J., Wu, T. B., Xu, L., Chen, W. & Zhao, M. P. A branch-migration based fluorescent probe for straightforward, sensitive and specific discrimination of DNA mutations. Nucleic Acids Res 45, 9, doi:10.1093/nar/gkx117 (2017).

5. Liu, N. et al. A star-shaped DNA probe based on strand displacement for universal and multiplexed fluorometric detection of genetic variations. Microchim. Acta 185, 7, doi:10.1007/s00604-018-2941-0 (2018).