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

yinfuhua

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- u6 o: Z, T" d5 Q) `3 V- D' L0 U7 C
来源:学术经纬 / 作者: / 2017-04-146 ?; }3 s/ I3 T4 r6 n4 \/ j
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。
+ {7 T4 M! t8 G1 W' m6 b. @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。% h6 j$ G& `# Y; K
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。) u' ?  S, R! ?7 j8 F& T* d# w6 M
& X+ E! |4 f7 i8 @" M
▲这项全新 CRISPR 应用的原理（图片来源：《科学》）: J" Z; d; e; r
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！”
. W- @: h3 P; J0 {) b3 `' E这套系统的灵敏度达到了 50fM（1fM 为 10 的负 15 次方摩尔每升）。/ Q% N) S* {: E+ u- [
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。
* F1 e: I* |4 V3 z/ d; P# [: s/ z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。1 T+ D: e5 B! m* }( _

9 R1 c7 z6 K  T% B( v3 C. Q2 j0 A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）。- H; b, J/ a2 j  H% l% C. \8 a
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。
$ E6 z" p. A# z# l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。8 |7 A8 g  c2 j1 b/ U

1 K8 k: d0 f. l7 d▲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》）
% x1 N+ R; |6 D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。
5 B1 t' a) Y& E“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。0 Q9 P. J7 \& O8 q* v( X7 _* Z
5 b( C) f' z/ R
▲Cas13a 蛋白是这套系统的关键（图片来源：《科学》）6 }6 k, n7 L0 J! m$ K' Y6 s4 M
“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。”
  f) Q& y( c+ R4 A8 v" d6 q- k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。. Q- l) t9 @# Q5 Q
参考资料：
8 r/ Y. i# h' I[1] Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2
; r$ a8 c9 @. ^& Q* ?! Q[2] New CRISPR tool can detect tiny amounts of viruses
, R4 @7 M9 R" v# @( t( j. t# r# X[3] Scientists unveil CRISPR-based diagnostic platform" }" H0 R2 B) N