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Science:张锋团队今日带来CRISPR重磅新应用,核酸检测灵敏度可达单分子

来源:药明康德 2017-04-14 09:53

今日,知名华人科学家张锋教授与同事在《科学》杂志上发表论文,介绍了一种全新的CRISPR应用工具,用以检测核酸。这一工具能快速检测RNA或DNA分子,灵敏度甚至有望检测出单个核酸。这一重磅研究对于科研与全球公共卫生有着极大的影响。

早在2010年,科学家们就意识到,CRISPR平台也许能被用来检测病毒的核酸。但在当时,它的基因编辑潜力过于出众,光芒在一定程度上掩盖了其他领域应用的可能性。直到CRISPR-Cas9基因编辑技术趋于完善之时,科研人员才有余力检视它在病毒检测上的潜力。

科学家们在今日发表的这个系统与CRISPR-Cas9系统有着本质上的差异。它由向导RNA(gRNA)和Cas13a蛋白等部分组成。向导RNA能带领Cas13a蛋白识别并剪开带有特异序列的RNA。然而Cas13a有一个奇怪的特点,当它切开特异的RNA后,就无法管住自己的“双手”,开始疯狂切开它能遇到的任何RNA。利用这一特性,张锋教授与James Collins教授在这套系统里塞入了一种带有RNA的荧光标志物。平时它不会发出荧光,但一旦Cas13a到处“搞事情”,这种荧光标志物的RNA就会被切开,让它发出明亮的光芒。



▲这项全新CRISPR应用的原理(图片来源:《科学》)

也就是说,只要设计好合适的向导RNA,并提供Cas13a与荧光标志物,那么一旦这套系统识别到匹配的RNA序列,就会发出荧光,告诉研究人员“我们找到了!”

这套系统的灵敏度达到了50fM(1fM为10的负15次方摩尔每升)。

尽管和之前的一些研究相比,它的灵敏度提高了数百万倍,但研究人员依然没有满足。他们想要把灵敏度进一步提高,增加到阿摩尔级(aM,10的负18次方摩尔每升)。为了达到这一目标,他们又用上了“等温扩增”(isothermal amplification)技术,进一步降低了对初始核酸浓度的需求。

在后续的实验中,研究人员发现,使用“等温扩增”技术的这套CRISPR系统无论是对RNA还是DNA,灵敏度都达到了单分子级。



这种不遗漏任何线索的特性让研究人员想到了福尔摩斯(Sherlock Holmes)。于是他们杜撰了一个名字,把这套系统称为SHERLOCK(Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing)。

这套系统开发出来可不是为了好玩。研究人员相信,它能用于各种疾病的检测。首先,研究人员在不同的病毒上测试了它的特异性。实验表明,它能很好地区分两种很类似的寨卡病毒株。这对于准确诊断病情,有效预防疫情爆发而言,有着现实的应用价值。

随后,研究人员又开始将它用于检测癌症突变。在癌症的早期诊断领域,液体活检是一大热门——科学家们希望从血液中分离出专属于癌细胞的突变,从而得知癌症是否开始发作。然而,由于血液中有着大量的非癌细胞DNA,这一检测过程也是困难无比。在今日发表的论文中,研究团队使用现成的样本,来模拟患者的血液。而实验表明,SHERLOCK同样能以阿摩尔级的灵敏度,识别出肿瘤特有的突变。


▲在人类基因组中,这套系统能轻松检测出不同的SNP(图片来源:《科学》)

类似的应用还有很多。比如,研究人员用这套系统,成功地鉴定出了人类基因组中的多个单核苷酸多态性(SNP),并能分析出每一个人的特定SNP是纯合还是杂合。在这个基因组的时代,SHERLOCK能得到很广泛的应用。

“能将Cas13a应用到灵敏度如此非同寻常的工具中,我感到非常激动。无论对科学还是临床医学,它都是很强大的工具。”张锋教授说。

▲Cas13a蛋白是这套系统的关键(图片来源:《科学》)

“我们现在能有效地制作针对任何核酸的探测器,在诊断或研究领域的应用上,这项工具无比强大,”该研究的另一名资深作者James Collins教授说道:“这项工具能在患者的血液中寻找到极少量的肿瘤DNA,帮助研究人员理解肿瘤的突变如何随着时间推移发生改变。另外在公共卫生领域,它也能帮助研究者监控耐药菌的发生频率。科学上它有无限让人激动的可能。”

我们祝贺张锋教授与他的同事们取得的又一突破,并期待看到CRISPR相关技术能给我们带来更多的惊喜。

参考资料:

[1] Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2

[2] New CRISPR tool can detect tiny amounts of viruses

[3] Scientists unveil CRISPR-based diagnostic platform

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