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CRISPR新功能升级,可用于肿瘤DNA等多种核酸检测

时间:2018-08-15  来源:互联网 

“SHERLOCK”作为一种快速、便宜、高灵敏性的基于CRISPR的诊断工具,于2017年4月,由张锋团队在一篇Science论文中首次提出。经过不到一年的研发,如今,新版的SHERLOCK能够更加快速、精准地检测样本中的基因特征,包括病原体和肿瘤DNA。通过一种微型纸测试,可实现用肉眼观察结果。

图片来源:Science(DOI: 10.1126/science.aaq0179)

2月15日,这项新成果以“Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13, Cas12a, and Csm6”为题发表在Science杂志上。

研究中,张锋团队设计了一种简单的纸带(paper strip),以展示基因特征(genetic signatures)的测试结果。将纸带浸入处理过的样本后,会出现一条线,指示着目标分子是否被检测到了(下图)。此外,研究小组还提高了SHERLOCK的敏感性,增加了SHERLOCK准确量化样本中目标数量(amount of target)以及一次检测多个目标的能力。

Credit : Zhang lab, Broad Institute of MIT and Harvard

进行游离肿瘤DNA等检测

在去年首次提出SHERLOCK的论文中(题目:Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2),张锋等在一系列不同的应用中证明了初级版SHERLOCK的多功能性:1)数小时内,检测患者血液或尿液样本中Zika病毒的存在;2)区分非洲和美国Zika病毒株的基因序列;3)识别特定的细菌类型,如大肠杆菌;4)检测抗生素耐药性基因;5)在模拟的(simulated)游离DNA中识别癌症突变;6)快速阅读人类遗传信息。

而在最新发表的这项研究中,研究团队利用升级版的SHERLOCK检测了肺癌患者血液样本中的游离肿瘤DNA,并同时检测了Zika病毒和登革热病毒。

论文的共同第一作者Jonathan Gootenberg说:“现在,不需要仪器,SHERLOCK就能让你看到,是否你的目标存在于样本中。”

Cas13是成功的核心

图片来源:Science

SHERLOCK成功的核心是一种叫做Cas13的CRISPR相关蛋白。Cas13a先前被称为C2c2。2016年6月,张锋等在一篇Science论文中首次描述了这一RNA靶向的CRISPR酶。CRISPR-Cas13a能够用于切割细菌细胞中特定的RNA序列。与DNA靶向的CRISPR酶不同(如Cas9、Cpf1),Cas13a在切割了它的意向RNA目标后依然能够保持“活跃”,继续爆发性式地切割其他非目标RNA。科学家们将这种现象称为“collateral cleavage”。

图片来源:Nature

2016年9月,CRISPR“女神”Jennifer Doudna团队在一篇Nature论文中提出,将Cas13a的“collateral cleavage”活性用于RNA检测。不久后,基于Cas13a的、最初版SHERLOCK检测工具便诞生了。

可检测多个目标

In this animation, SHERLOCK paper strips visually demonstrate the presence of synthetic Zika and Dengue viruses.

起初,SHERLOCK只能一次检测一种核酸序列,但现在,能够用于测试多个目标,一次分析可同时给出多达4种不同目标的荧光信号。为了产生额外的信号,新版SHERLOCK使用了Cas13和Cas12a(后者先前被称为Cpf1,它们是来自不同种类细菌的酶),能够在单一反应中检测出是否一个样本含有寨卡病毒或登革热病毒颗粒。这两种病毒会导致患者出现类似症状。

敏感性提高100倍

除了检测目标数量的升级,新版SHERLOCK也使用了额外的CRISPR相关酶来放大其检测信号,从而使得该工具比最初的版本更加敏感。

Co-first authors Jonathan Gootenberg (left) and Omar Abudayyeh (right) holding a paper strip that displays a positive SHERLOCK readout.

论文的共同第一作者Omar Abudayyeh说:“经过改善,新版SHERLOCK的灵敏度提高了100倍,这对于检测血液样本中游离肿瘤DNA这样的应用是尤为重要的。因为,在这些样本中,目标分子的浓度可能非常低。这种升级将帮助SHERLOCK成为一个更精确的系统。”

革命性影响

“SHERLOCK提供了一种便宜、易于使用、灵敏的检测核酸物质的诊断方法。此次改进不仅使得我们能够利用SHERLOCK获得更多的诊断信息,还让我们离在现实生活中真正应用SHERLOCK又近了一步。该技术展示了多种医疗应用方面的潜力,包括诊断患者的感染和检测导致耐药性或癌症的突变。”张锋如此评价这项新成果。

此外,Broad研究所的官网报道还表示,这项创新成果再次证实了CRISPR在基因编辑之外的应用实力,有望对科学研究以及全球公共卫生产生革命性的影响。

参考资料:

SHERLOCK team advances its CRISPR-based diagnostic tool


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