A Cascade Signal Amplification Based on Dynamic DNA Nanodevices and CRISPR/Cas12a Trans-cleavage for Highly Sensitive MicroRNA Sensing

小RNA 清脆的 多重位移放大 DNA 级联 生物 寡核苷酸 化学 计算生物学 分子生物学 遗传学 聚合酶链反应 基因 DNA提取 色谱法
作者
Xingrong Li,Decai Zhang,Xiufeng Gan,Ping Liu,Qingyuan Zheng,Tiantian Yang,Guozhen Tian,Shijia Ding,Yurong Yan
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:10 (6): 1481-1489 被引量:30
标识
DOI:10.1021/acssynbio.1c00064
摘要

The variations of microRNA (miRNA) expression can be valuable biomarkers in disease diagnosis and prognosis. However, current miRNA detection techniques mainly rely on reverse transcription and template replication, which suffer from slowness, contamination risk, and sample loss. To address these limitations, here we introduce a cascade toehold-mediated strand displacement reaction (CTSDR) and CRISPR/Cas12a trans-cleavage for highly sensitive fluorescent miRNA sensing, namely CTSDR-Cas12a. In this work, the target miRNA hybridizes with the terminal toehold site of a rationally designed probe and subsequently initiates dynamic CTSDR, leading to enzyme-free target recycling and the production of multiple programmable DNA duplexes. The obtained DNA duplex acts as an activator to trigger Cas12a trans-cleavage, generating significantly amplified fluorescence readout for highly sensitive detection of the miRNA target. Under the optimal conditions, the developed sensing method can detect target miRNA down to 70.28 fM with a wide linear range from 100 fM to 100 pM. In particular, by designing a set of probes and crRNAs, we demonstrate its broad applicability for the detection of six kinds of miRNAs with high sequence specificity. Furthermore, the method can be satisfactorily applied to monitor miR-21 in total RNA extracted from cells and clinical serum samples. Considering the high sensitivity, specificity, universality, and ease of handling, this strategy provides a great potential platform for the detection of miRNA biomarkers in molecular diagnostic practice.
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