华人科学家张锋大神又刷屏了。他和James Collins教授团队,联合将CRISPR-Cas13a改造成了灵敏度达到了阿摩尔级(aM,10的负18次方摩尔每升),可以检测单分子的SHERLOCK技术。这一重要成果刊登在今天的《科学》杂志上[1]。
就在大家在为张锋大神欢呼雀跃,在为CRISPR-Cas13a叫好的时候。我们发现,让SHERLOCK技术达到阿摩尔级灵敏度的不是CRISPR-Cas13a,是它的搭档,另一个颠覆性的发明重组聚合酶扩增技术(Recombinase Polymerase Amplification,RPA)。很少有报道提起她,她就那样默默站在CRISPR-Cas13a背后。
RPA有多厉害?据说可以媲美PCR技术。什么是PCR?着名发明家Kary Mullis因为发明这个技术于1993年获得诺贝尔奖……据了解RPA技术是由英国科技公司TwistDx发明的,发明人是Niall A. Armes和Derek L. Stemple。如果张锋和Collins教授的这项发明最终能造福人类,我们也应该记住RPA的发明人。
接下来我们就看看RPA和CRISPR-Cas13a联手,如何铸就SHERLOCK技术的。
SHERLOCK与我们特别熟悉的CRISPR-Cas9有本质上的区别,它使用的酶是Cas13a。Cas9靶向切割的是DNA,而Cas13a靶向的则是RNA;而且Cas13a是一个“奇怪而又疯狂”的酶,像Cas9在切割完特定片段后就会失活,但Cas13a则会像“吃了炫迈一样停不下来”,在切割了自己应该切割的RNA后,它还会继续去切割其他遇到的RNA。
其实在去年的6月份,张锋教授就在《科学》杂志上介绍过这个可以在细菌细胞中切割特定RNA序列的“奇怪而又疯狂”的酶了[2]。然而在面世仅仅三个月后,另一位在CRISPR基因编辑系统领域做出卓越贡献的“大神”就“找了个茬”,我想,大家应该已经猜到了,这位大神就是与张锋教授有着专利之争的,加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna教授。
Doudna教授和她的同事在《自然》杂志上发表研究,他们对Cas13a的潜力进行了验证。结果显示,如果想要让Cas13a顺利地与特定RNA结合,样本中至少需要数百万RNA分子,因此,使用Cas13a其实是达不到许多基础研究和临床应用所需要的灵敏度的[3]。
初始的Cas13a和“进化”后的SHERLOCK灵敏度的对比初始的Cas13a和“进化”后的SHERLOCK灵敏度的对比
这样的CRISPR-Cas13a是不能被称为“SHERLOCK”的,那么张锋教授是如何让它“开挂般”提高灵敏度的呢?这还要感谢和张峰教授同在Broad研究所工作的,合成生物学领域的“大牛”——James Collins教授,他同时也是这次报告的联合通讯作者。两位“大牛”携手,他们想到了一个“外援”—— RPA。
常规的PCR也可以扩增特定DNA片段,提高灵敏度,但是PCR对温度的控制有很复杂的要求,要经历高温变性、低温复性还有中温延伸三个步骤。RPA就不需要这么麻烦,它的反应需要三种在常温下有活性的酶,最适温度在37-42℃之间,不需要变性过程,这样就大大加快了扩增的速度。再加上不需要温控设备,两者共同打造了真正便携式的快速DNA扩增技术。
不仅方便快捷,RPA更“迷人”的地方在于扩增量十分高,能够将痕量的核酸(尤其是DNA)模板扩增到能够可以检测到的水平。痕量,顾名思义就是“该物质虽然存在,但只有‘痕迹’,无法用一般方法定量检测,通常含量<0.1mg”,所以大家就知道RPA有多厉害了吧?利用它可以从单分子得到大约1012的扩增产物。而且RPA还不需要复杂的样品处理,及时环境限制,无法提取核酸,也难不倒它[4]。
利用RPA,在室温中,样品中DNA或RNA的含量就可以得到提升,一旦含量增加了,再将DNA转化为RNA。如此,Cas13a就有资格进化成“SHERLOCK”了!
不过SHERLOCK其实是一个“团队”,研究人员给Cas13a“配备”了两个助手:一个是引导它到达应该被切割的特异性RNA的“向导RNA”;另一个叫做“报告RNA”,因为Cas13a在切割完特定RNA后不会失活,所以在Cas13a完成任务开始“作乱”的时候,报告RNA就会被切断,发出荧光信号。研究人员们就知道,它已经找到了与其相匹配的RNA序列。
SHERLOCK的工作原理
那么SHERLOCK现在能为我们做什么呢?研究人员已经证实,它可以应用于多种疾病,例如传染病病原体的检测、癌症相关的基因突变的检测。
使用SHERLOCK可以分辨出美洲寨卡病毒和非洲寨卡病毒,两种病毒株差异显著
在研究中,他们用含有寨卡病毒和登革热病毒的血样进行了测试,结果显示,即使病毒的滴度(即病毒的毒力)很低,SHERLOCK还是能捕捉到,而且对于类型很是相似的非洲寨卡病毒和美洲寨卡病毒,SHERLOCK也能准确的分辨出它们的“身份”。除了血液之外,唾液和尿液也都可以“为SHERLOCK所用”。
除了病毒的检测外,在大热的癌症液体活检方面,SHERLOCK也显示了一把它的身手。在人体内,每时每刻都有DNA片段进入血液循环中,对于肿瘤患者来说也不例外,所以血液中也能检测到与肿瘤有关的DNA片段。但是肿瘤相关DNA的比例极低,因而检测的难度也是很大的。在研究人员的设计下,他们用酶将DNA转化为RNA,这样SHERLOCK就可以靶定血液中的与肿瘤有关的突变了!
研究人员以两个基因突变为例,进行了验证,他们发现,即使突变的基因只占到基因组DNA的0.1%,SHERLOCK还是能够将它们检测出来!这无疑会为液体活检领域带来不小的进步。研究的第一作者Jonathan Gootenberg说:“SHERLOCK对两种类型的核酸(DNA和RNA)都很有用,它真正的优势在于切割完特定片段之后还具有活性,能够触发‘荧光报告’,让我们知道。”
在人类基因组中,SHERLOCK可以检测出不同的多个单核苷酸多态性(SNP)
除了这些之外,SHERLOCK还可以检测人类基因组中的多个单核苷酸多态性(SNP,指基因组水平上单个核苷酸变异引起的DNA序列的多态性,是人类可遗传变异中最常见的一种)、抗生素抗性基因、区别包括大肠杆菌和铜绿假单胞菌在内的5种特定类型的细菌,而且根据研究人员的介绍,SHERLOCK甚至还可以区分肺炎球菌和杆菌不同的耐药突变类型!这些对于细菌感染患者的诊断、治疗都有非常重大的意义。
对于如此强大的SHERLOCK,曾经“挑过刺儿”的Doudna教授表示,“未来有很多疾病的检测会应用到SHERLOCK,我们很高兴看到他们的新成果建立在我们曾经提出的‘疾病检测’的主意上,而且我们曾经的‘检验工作’看起来对他们也非常有帮助。”[5]
目前,SHERLOCK在使用的时候可以将所需要的化学物质放在一张玻璃纤维纸上,在各种场景中使用,而且每次的成本只需要61美分。研究人员认为,如此方便、快捷的测试对于新传染病爆发时的准确检测有着十分重大的意义,因为传染病最开始出现的地方往往是一些环境较差的不发达国家。
由于SHERLOCK广泛的应用范围,所以如何“商业化”也是研究人员很关心的一个问题,Collins教授说,他们目前正在积极的探索中,很可能会成立一家公司来实现这个目标。当然了,商业化的SHERLOCK什么时候能够正式进入市场,这一切都还需要技术的继续完善和FDA等机构的监督和认可。
参考文献:
[1]Jonathan S. Gootenberg et al. Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2. Science, 2017 DOI:10.1126/science.aam9321
[2] Abudayyeh O O, Gootenberg J S, Konermann S, et al. C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector[J]. Science, 2016, 353(6299): aaf5573.
[3] East-Seletsky A, O'Connell M R, Knight S C, et al. Two distinct RNase activities of CRISPR-C2c2 enable guide-RNA processing and RNA detection[J]. Nature, 2016, 538(7624): 270-273.
[4] Piepenburg O, Williams C H, Armes N A, et al. Recombinase polymerase amplification: U.S. Patent 7,399,590[P]. 2008-7-15.
[5] http://www.sciencemag.org/news/2017/04/new-crispr-tool-can-detect-tiny-amounts-viruses
来源:奇点网 作者:应雨妍
为你推荐

阿斯利康最新披露:在中国或面临800万美元新罚款
据相关报道,英国当地时间4月29日,阿斯利康在最新季度的财报会议上透露,就在华涉嫌非法进口药品一事,公司可能可能会在中国面临一项新的罚款。
2025-04-30 15:53

君合盟生物重组A型肉毒毒素临床试验双线突破,覆盖严肃医疗与消费医疗两大领域
用于成人中、重度眉间纹适应症的III期临床试验在组长单位北京大学第一医院正式启动并完成首例入组。针对成人脑卒中后上肢痉挛治疗的II期临床试验由复旦大学附属华山医院牵头并顺...
2025-04-30 12:39

科塞尔医疗完成近亿元B+轮融资,加速血管介入器械全领域平台化布局
本轮融资由国内知名投资机构铁投巨石领投,苏高新金控持续追加投资,园雍投资跟投,资金将用于核心产品研发、全球市场推广及产能扩建。
2025-04-28 16:54

凯西集团2024财年实现双位数营收增长,不断投资研发,聚焦可持续发展
凯西集团(Chiesi Group)是一家以研发为基石的意大利国际制药集团,总部位于意大利帕尔马,业务覆盖全球31个国家和地区。在2024财年,凯西集团圆满收官,取得了强劲的财务业绩...
2025-04-28 11:29

别让肺结节成心结,肺健康清“结”公益行动在人民日报社正式启动
2025年4月27日,《爱肺行动》之别让肺结节成心“结”——肺健康清“结”公益行动,在北京人民日报社正式启动,由广东省钟南山医学基金会、江苏养无极药业有限公司发起,联合京东健康...
2025-04-28 10:26

被忽视的“经期头痛”,专家提醒频繁发作需及时就医
偏头痛是一种常见的慢性神经血管性疾病,不仅有中到重度的头痛症状,还常伴随多种复杂症状比如恶心、呕吐、畏光、畏声等。女性偏头痛的发病率是男性的2~3倍,约20%~25%的女性偏...
2025-04-28 09:42

A股上市公司未名医药的核心子公司,被停产
4月24日晚间,未名医药发布公告称,4月22日,天津市药监局发布公告,对公司控股子公司天津未名生物医药有限公司(以下简称“天津未名”)进行了药品GMP符合性检查。经综合评定、...
2025-04-27 11:34

瑞博生物港交所递表,小核酸药物龙头企业有望登陆资本市场
瑞博生物成立于2007年,专注于RNA干扰(RNAi)技术开发及小核酸药物产业化,是全球最早布局该领域的开拓者之一。
2025-04-27 10:36

Cytiva与中欧创新医药与健康研究中心签署全面合作协议
双方将携手在细胞治疗药物成果转化领域展开全面合作,推动大湾区生物医药产业的蓬勃发展,打造全球生物医药创新高地。
2025-04-25 19:49

精鼎医药任命 Charlotte Moser为公司首席医疗官,负责领导全球医学战略
今日(4月25日),致力于为客户提供I至IV期全方位临床开发服务的跨国合同研究组织(CRO)精鼎医药宣布,公司已任命 Charlotte Moser博士出任首席医疗官。
2025-04-25 15:06

强生宣布锐珂(埃万妥单抗注射液)联合化疗方案在华获批,用于EGFR TKI经治后局部晚期或转移性非小细胞肺癌患者治疗
强生公司今日(4月25日)宣布,旗下创新治疗药物锐珂®(埃万妥单抗注射液)正式获得国家药品监督管理局批准,与卡铂和培美曲塞联合给药,适用于治疗携带表皮生长因子受体(EGFR...
2025-04-25 15:00

《新英格兰医学杂志》发布: 研究证实速福达可将流感病毒家庭传播概率降低32%
罗氏全球今日(4月25日)宣布,速福达®(玛巴洛沙韦)III期临床试验CENTERSTONE研究详细结果在《新英格兰医学杂志》(NEJM)上发布。结果显示研究达到了主要终点:流感感染者单...
2025-04-25 13:34