核酸作为一种功能性生物大分子,已被广泛用于生物传感和药物递送领域。但是天然的核酸分子有较多的局限性,如易被核酸酶降解、强烈负电性和大分子量导致的细胞膜通透性差等,这限制了其生物学功能。化学修饰可以有助于改善天然核酸的固有缺陷,拓宽其应用范围。本论文基于DNA序列多样性、可修饰性和生物兼容性做了以下两个研究:首先,选择FAM标记的硫代磷酸酯修饰的DNA(Phosphorothioate modified DNA,PS-DNA)作为基本骨架,并在该骨架上修饰带有不同正电性的功能性基团构建集成修饰适配体探针,进一步结合单层二硫化钼纳米片构建化学鼻舌传感平台(Monolayer molybdenum disulfide nanosheets-ensemble modified aptamer,MoS_2-EMAmer)用于靶细胞的模式识别分析;其次,开发了一种创新型细胞穿透肽,并基于迈克尔加成反应成功构建了创新型细胞穿透肽-DNA运输体系(Innovative cell penetration peptide-DNA,GLECPP-DNA),提高了DNA的跨膜运输能力。具体内容如下:1.采用PS-DNA作为基本支架,通过控制PS在DNA上位置、数量及空间距离,从而控制功能性基团的位置、数量及空间距离。PS修饰的DNA具有很强的亲核反应活性,通过亲核取代反应将带正电性的功能性基团修饰在DNA支架链上,构建12种EMAmer探针,为非特异性传感识别元件的构建提供了新的思路。在此基础上,结合单层MoS_2纳米片构建了一种低荧光背景、高重现性的传感平台,通过模式识别方法实现了癌细胞和混合物的快速、便捷、灵敏和准确的识别分析,对6种细胞的识别准确率可达97%,有望为癌症诊断提供有利工具。2.基于经典阳离子型细胞穿透肽R8的结构,对R8进行修饰和改造,设计了一条创新型细胞穿透肽(GLECPP)。与R8不同的是,GLECPP在精氨酸之间插入一些间隔臂氨基己酸和β-丙氨酸,并且在GLECPP序列中增加两个色氨酸和十个组oncolytic Herpes Simplex Virus (oHSV)氨酸。其中,间隔臂有利于精氨酸侧链的最佳定位,色氨酸可增强GLECPP与细胞膜的相互作用,组氨酸可在酸性环境中质子化从而实现内体逃逸。为验证GLECPP结构设计的合理性,我们将GLECPP与R8做穿膜性能对比。研究结果证明,与R8相比,GLECPP具有更高的穿膜效率(10μM时,GLECPP是R8的5倍)和更优异的溶酶体逃逸能力(2.5μM时,GLECPP在细胞内荧光清晰可见并均匀分布在细胞质中,而BLZ945体外R8的荧光强度非常弱),同时GLECPP也具有低的细胞毒性和良好的血清稳定性。此外,为验证GLECPP是否具有高效携带货物分INCB018424作用子的能力,我们将GLECPP与DNA通过迈克尔加成反应偶联形成药物递送体系,与裸DNA相比,GLECPP-DNA药物递送体系穿膜效率更高,且当GLECPP-DNA为5μM时,GLECPP-DNA能均匀分布在细胞中,细胞毒性小(10μM时,细胞存活率为87%)。这些研究以改善DNA的化学多样性和细胞膜通透性为出发点,首先对DNA骨架进行修饰构建MoS_2-EMAmer传感阵列,为构建非特异性传感元件库提供新的思路;其次,利用DNA的功能化修饰和生物偶联反应,构建DNA-载体递送体系,这为核酸药物递送载体设计和构建提供新的视角,以上研究有望为生物分析及药物递送领域提供灵活、强大的功能平台。