Science:张锋新成果!“魔剪”CRISPR又出新功能,用于核酸检测
2017/04/15
作为CRISPR先驱之一,张锋近几年的学术成就有目共睹。不久前,他入选了2017“全球青年领袖”。本周,“大神”又有新成果发表在《科学》杂志上。这篇论文证实,改造后的“魔剪”CRISPR可作为一种快速、便宜且高度灵敏的核酸检测工具。研究小组给这一新技术取了霸气的名字SHERLOCK——夏洛克(福尔摩斯)。


4月13日,Science杂志发表一项题为“Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2”的重要研究进展。来自Broad研究所、McGovern研究所等机构的一个科学家小组改造了靶向RNA的CRISPR系统,使其成为了快速、便宜且高度灵敏的诊断工具。这一发现有望为科学研究以及全球公共卫生带来变革性的影响。CRISPR先驱张锋以及Broad研究所的James J. Collins是该研究的共同通讯作者。

具体来说,这篇论文描述了RNA靶向的CRISPR酶(Cas13a/C2c2)如何“变身”高度灵敏的“探测器”:能够指示出目标RNA或DNA分子中单分子的存在(the presence of as little as a single molecule of a target RNA or DNA molecule)。这一新工具被研究者们授予了SHERLOCK(Specific High-sensitivity Enzymatic Reporter unLOCKing)的称号。他们认为,有一天,这一技术可能被用于应对病毒和细菌爆发,监测抗生素耐药性以及检测癌症。


SHERLOCK combines CRISPR-Cas13a withisothermal RNA amplification to detect RNA and DNA with single-basespecificity.

六大应用

科学家们在一系列不同的应用中证明了SHERLOCK技术的多功能性: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。

张锋表示:“Cas13a酶能够产生如此非凡的灵敏度。这是非常令人兴奋的。”

首篇描述Cas13a的Science论文

Cas13a先前被称为C2c2。2016年6月,张锋和他的同事在Science杂志上发表了题为“C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector”的论文,首次描述了这一RNA靶向的CRISPR酶。CRISPR-Cas13a/C2c2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和Cpf1),Cas13a在切割它的意向RNA目标后依然能够保持“活跃”,会继续爆发性式地切割其它非目标RNA。张锋实验室的科学家将这种现象称为“collateral cleavage”。


Jennifer Doudna成果紧随其后

2016年9月,CRISPR“女神”Jennifer Doudna和同事们在Nature杂志了发表了题为“Two distinct RNase activities of CRISPR-C2c2 enable guide-RNA processing and RNA detection”的论文。他们提出,将Cas13a的“collateral cleavage”活性用于RNA检测。

灵敏度提升百万倍

Broad研究所官网报道称,该研究中提出的方法需要数以百万计分子的存在,灵敏度有所缺乏。而这篇最新Science论文提出的新方法灵敏度高了一百万倍(a million-fold more sensitive)。

据悉,这是张锋及其研究组与共同通讯作者Jim Collins合作的结果。Jim Collins致力于Zika病毒诊断研究。2014年,Collins和他的研究小组开发了一种针对Ebola病毒的快速合成纸质测试(rapid synthetic paper-based test)。这一技术可在室温下运送和储存。

随后,他们调整这一系统,用于检测Zika病毒。他们证明,该技术能够通过增加样本中的RNA数量提高传感器的灵敏性。Collins说:“这一基于CRISPR的全新工具提供的灵敏度能够检测患者血液样本中极少量的癌症DNA。”

Broad研究所的报道还称,这一诊断工具最迫切和最明显的应用是,在资源贫乏的地区,用于传染病爆发的快速、即时诊断。此外,据The Scientist报道称,作者们估计,这一Paper-Based SHERLOCK检测每次测试成本约为0.61美元。


“女神”如何评价?

最后,我们来看看,Jennifer Doudna是如何评价张锋等人这项新成果的呢?Doudna在接受采访时写道:“这一方法通过预扩增(pre-amplifying)核酸目标改善了C2c2的检测限制。它的局限是,这一方法依然需要核酸扩增步骤,这可能会成为它用于即时应用(point-of-care application)的挑战。”

参考资料:

Scientists unveil CRISPR-based diagnostic platform

CRISPR-Based Nucleic Acid Test Debuts

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  • Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2

    Rapid, inexpensive, and sensitive nucleic acid detection may aid point-of-care pathogen detection, genotyping, and disease monitoring. The RNA-guided, RNA-targeting CRISPR effector Cas13a (previously known as C2c2) exhibits a “collateral effect” of promiscuous RNAse activity upon target recognition. We combine the collateral effect of Cas13a with isothermal amplification to establish a CRISPR-based diagnostic (CRISPR-Dx), providing rapid DNA or RNA detection with attomolar sensitivity and single-base mismatch specificity. We use this Cas13a-based molecular detection platform, termed SHERLOCK (Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing), to detect specific strains of Zika and Dengue virus, distinguish pathogenic bacteria, genotype human DNA, and identify cell-free tumor DNA mutations. Furthermore, SHERLOCK reaction reagents can be lyophilized for cold-chain independence and long-term storage, and readily reconstituted on paper for field applications.

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