Science：張鋒新成果！「魔剪」CRISPR又出新功能，用於核酸檢測

4月13日，Science雜誌發表一項題為「Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2」的重要研究進展。來自Broad研究所、McGovern研究所等機構的一個科學家小組改造了靶向RNA的CRISPR系統，使其成為了快速、便宜且高度靈敏的診斷工具。這一發現有望為科學研究以及全球公共衛生帶來變革性的影響。CRISPR先驅張鋒以及Broad研究所的James J. Collins是該研究的共同通訊作者。

具體來說，這篇論文描述了RNA靶向的CRISPR酶（Cas13a/C2c2）如何「變身」高度靈敏的「探測器」：能夠指示出目標RNA或DNA分子中單分子的存在（the presence of as little as a single molecule of a target RNA or DNA molecule）。這一新工具被研究者們授予了SHERLOCK（Specific High-sensitivity Enzymatic Reporter unLOCKing）的稱號。他們認為，有一天，這一技術可能被用於應對病毒和細菌爆發，監測抗生素耐藥性以及檢測癌症。

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

六大應用

科學家們在一系列不同的應用中證明了SHERLOCK技術的多功能性：1）數小時內，檢測患者血液或尿液樣本中Zika病毒的存在；2）區分非洲和美國Zika病毒株的基因序列；3）識別特定的細菌類型，如大腸桿菌；4）檢測抗生素耐藥性基因；5）在模擬的（simulated）游離DNA中識別癌症突變；6）快速閱讀人類遺傳信息。

張鋒表示：「Cas13a酶能夠產生如此非凡的靈敏度。這是非常令人興奮的。」

首篇描述Cas13a的Science論文

Cas13a先前被稱為C2c2。2016年6月，張鋒和他的同事在Science雜誌上發表了題為「C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector」的論文，首次描述了這一RNA靶向的CRISPR酶。CRISPR-Cas13a/C2c2能夠用於切割細菌細胞中特定的RNA序列。與DNA靶向的CRISPR酶不同（如Cas9和Cpf1），Cas13a在切割它的意向RNA目標後依然能夠保持「活躍」，會繼續爆發性式地切割其它非目標RNA。張鋒實驗室的科學家將這種現象稱為「collateral cleavage」。

Jennifer Doudna成果緊隨其後

2016年9月，CRISPR「女神」Jennifer Doudna和同事們在Nature雜誌了發表了題為「Two distinct RNase activities of CRISPR-C2c2 enable guide-RNA processing and RNA detection」的論文。他們提出，將Cas13a的「collateral cleavage」活性用於RNA檢測。

靈敏度提升百萬倍

Broad研究所官網報道稱，該研究中提出的方法需要數以百萬計分子的存在，靈敏度有所缺乏。而這篇最新Science論文提出的新方法靈敏度高了一百萬倍（a million-fold more sensitive）。

據悉，這是張鋒及其研究組與共同通訊作者Jim Collins合作的結果。Jim Collins致力於Zika病毒診斷研究。2014年，Collins和他的研究小組開發了一種針對Ebola病毒的快速合成紙質測試（rapid synthetic paper-based test）。這一技術可在室溫下運送和儲存。

隨後，他們調整這一系統，用於檢測Zika病毒。他們證明，該技術能夠通過增加樣本中的RNA數量提高感測器的靈敏性。Collins說：「這一基於CRISPR的全新工具提供的靈敏度能夠檢測患者血液樣本中極少量的癌症DNA。」

Broad研究所的報道還稱，這一診斷工具最迫切和最明顯的應用是，在資源貧乏的地區，用於傳染病爆發的快速、即時診斷。此外，據The Scientist報道稱，作者們估計，這一Paper-Based SHERLOCK檢測每次測試成本約為0.61美元。

「女神」如何評價？

最後，我們來看看，Jennifer Doudna是如何評價張鋒等人這項新成果的呢？Doudna在接受採訪時寫道：「這一方法通過預擴增（pre-amplifying）核酸目標改善了C2c2的檢測限制。它的局限是，這一方法依然需要核酸擴增步驟，這可能會成為它用於即時應用（point-of-care application）的挑戰。」