张锋团队发布CRISPR基因编辑技术的全新应用系统可用于快速、廉价的病毒检测

  原标题:张锋团队发布CRISPR基因编辑技术的全新应用系统,可用于快速、廉价的病毒检测

  CRISPR作为一种强大的基因编辑技术,必将在未来改变人类抗击癌症以及其他致命疾病的方式。但CRISPR的潜力远远不止如此,最新的研究显示,这种基因编辑技术还可用于传染病的诊断。

  根据《Science》 4 月 13 日刊登的一篇论文,来自麻省理工学院和哈佛大学的Broad研究所、由张锋和James Collins领导的科研团队开发了一种全新版本的CRISPR,可用来检测诸如寨卡和登革热病毒或者其它有害细菌。这个全新的CPRSPR系统被命名为SHERLOCK,其有望成为一种低成本、易用性强的诊疗工具。

  该论文还指出,SHERLOCK能够有效地识别寨卡和登革热病毒,以及各种细菌菌株如大肠杆菌、假单胞菌和肺炎克雷伯杆菌。这些细菌引起的感染的确是会导致恶心,甚至危及生命的。他们还表明,该系统可以正确识别与癌症突变相关的遗传序列,而且测试价格便宜,每次实验仅为 61 美分。

  到目前为止,虽然 SHERLOCK 系统还仅在实验室中被使用过。但是,由于这套系统非常便宜,所以它在可以诊断传染病的手持设备上的应用前景也常。专家们一致认为,它在寨卡病毒或埃博拉病毒的检测之中会起到重要的作用。

  除此以外,其想象力还不止于此,包括孕期检测等更为广泛的应用在不远的将来都将见到SHERLOCK的身影。

  从唾液样本中快速读取人类的遗传信息以判断是否有患如心脏病之类疾病的风险。

  然而,在此之前,研究人员还是有诸多的困难和挑战需要克服。举个例子,为了更精确的检测基因序列,SHERLOCK系统需要对部分RNA进行反复重制,而这种挑战在医疗临床应用中将会表现的更加明显。

  有鉴于此,科研人员仍需要对SHERLOCK进行不断的升级调整,使它可以同时检测出样品中的不同病毒或细菌。

  实际上,不同于比较常见的基因编辑工具CRISPR /Cas9,本篇《Science》论文中提到的名为CRISPR/C2c2 或 CRISPR/Cas13a 的基因编辑技术主要针对不同的基因识别并切割RNA——RNA是一种存在于所有生命形态中的一种主要的生物。大多数时候,RNA用于在体内帮助 DNA 合成蛋白质。

  对此,论文联合作者、麻省理工学院生物工程教授 James Collins 表示,当 C2c2 识别到 RNA 标靶时,会发生一些奇妙的事情:它会对附近的非标靶RNA进行剪切。

  所以,科学家决定将 CRISPR/C2c2 设计成易于使用的诊断工具SHERLOCK,其工作流程是:CRISPR 系统被重新编程,以检测人的唾液、尿液、血液、皮肤甚至粪便样品中特定病毒或细菌的遗传序列。当 CRISPR 检测到它时,它就会采取相应的切割动作并出荧光信号。因此,如果血液感染了寨卡病毒,科学家就可以看到信号并迅速对病人进行诊治。

  其实,早在 2016 年,张锋和他的同事首次鉴别了可以被用来切割细菌RNA序列的靶向 RNA 的 CRISPR/Cas13a 系统。当时发现不像靶向 DNA 的CRISPR/Cas9和CRISPR/Cpf1系统,Cas13a 切割完目标 RNA 后依然保持活性,而后会继续切割非目标 RNA,因此被张锋实验室的科学家们称为侧切割(collateral cleavage)。

  该实验室团队也在其文章和专利文件中描述了CRISPR/Cas13a技术一系列广泛的应用,包括 RNA 切割和侧切割活性在基础研究、疾病的诊断和治疗上的应用。

  2016 年 9 月发表在《自然》上的一篇文章中,大学伯克利分校的Jennifer Doudna、Alexandra East-Seletsky和她们的同事利用Cas13a的侧切割活性来检测 RNA 的存在。但这种方法需要数以百万计的存在,因此缺乏很多研究和临床应用要求的性。

  然而,得益于张锋团队和同属于Broad研究所致力于寨卡病毒诊断詹姆斯·柯林斯的合作,这种方法的性增加了百万倍。

  在张锋和詹姆斯·柯林斯团队的共同努力下,他们开发出一种依赖于体温的核酸扩增方法,提高样品中 DNA 或 RNA 的水平。一旦样品中的 DNA 水平增加,他们应用第二轮扩增将 DNA 为 RNA,因此使得 RNA 靶向的 CRISPR 系统的性提高了近百万倍,而且几乎适用于任何的场景。

  James Collins表示:这项技术对科学研究和疾病诊断非常地重要,现在我们可以高效地、方便地检测任何核酸。

  比如说,我们利用该技术检测病人血样中微量的癌症DNA,这将帮助我们理解癌症是怎样随着时间的推移而发展变异的。在公共健康方面,这项技术可以帮助研究人员监测某个群体中耐药性细菌的比例,其在科学上的应用将会非常激动。

  这篇文章的共同作者,同时也是 Broad 研究所的传染病和微生物项目联合主任Ded Hung也表示,CRIPSR/C13a系统的发现是令人兴奋的,但仍有大量的工作要做,如果 SHERLOCK 的潜能够被充分开发,它将会从根本上改变我们对常见的和新兴的传染性疾病的诊断方式。

  与此同时,随着靶向治疗这一治疗手段越来越多的出现在各种医疗场景中,医疗从业者也需要越来越多更加精准的诊断工具。Collins说,“随着我们疾病治疗的能力越来越强,快速、低成本的诊断过程也越来越多的被大众所重视。”

  这意味着,SHERLOCK将会有机会从中脱颖而出,它不仅可以准确地诊断患者的病情,而且对于癌症患者它还可以提供最佳的治疗手段。

  同是这篇论文的共同作者 Pardis Sabeti 说:SHERLOCK另一个特别强大的地方在于:不需要前期复杂耗时的验证,其即可用来检测。在持续的寨卡病毒爆发之后,为加快对疫情的应对,Sabeti 和她实验室的就一直在收集样品,快速地对其进行基因组测序,然后共享数据。

  Sabeti表示,该系统对原始样品进行快速处理的能力,将改变我们对寨卡及大量其它的传染性疾病的诊断方式,而且这还仅仅是一个开始。

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