Science：開發出基於CRISPR-Cas12a的技術檢測病毒DNA

一種強大的基因組編輯工具能夠作為一種王牌DNA偵探進行部署，能夠嗅出指示病毒感染、癌症或者甚至缺陷性基因存在的DNA片段。

這種基因偵探是由加州大學伯克利分校的霍華德休斯醫學研究所研究員Jennifer Doudna實驗室開發的，它是基於一種被稱作CRISPR的基因組切割系統開發的。通過將CRISPR的功能與分子信號槍相結合，Doudna和她的同事們開發出一種簡單的方法，該方法可能導致快速而又可靠的醫學測試。

Doudna說，這種被稱作DETECTR（DNA Endonuclease Targeted CRISPR Trans Reporter）的新方法「能夠實現靈敏而又準確的DNA檢測」，並且能夠在人類樣品中發現兩種致癌性的人類乳頭狀瘤病毒（HPV）。2017年11月，她和她的同事們首先在bioRxiv.org上發布了這項研究的預印本（doi:10.1101/226993）；相關研究也於2018年2月15日在線發表在Science期刊上，論文標題為「CRISPR-Cas12a target binding unleashes indiscriminate single-stranded DNase activity」。

圖片來自HHMI。

DETECTR是基於CRISPR系統開發的。CRISPR是一種細菌防禦系統，能夠切割和消除病毒和其他的威脅。自從發現以來，CRISPR一直被渴望有選擇地切割和修復基因組的科學家們使用。在這項新的研究中，Doudna和她的同事們證實CRISPR也能夠以另一種方式加以使用---就像一種DNA歸航信標（homing beacon）一樣。

DETECTR依賴於2015年描述的一種酶---Cas12a。與2012年Doudna和她的同事Emmanuelle Charpentier讓Cas9成為一種基因組編輯工具一樣，Cas12a也剪切DNA。但是，Cas12a並不僅僅切割它結合的DNA鏈，也剪切其他的DNA。」論文共同作者、Doudna實驗室研究生Lucas Harrington說，「我們觀察到Cas12a的這種令人吃驚的活性，它將開始隨機地進行切割。」

這些研究人員觀察到在某些情況下，Cas12a會變成一種DNA切碎機，將附近的任何單鏈DNA進行切割。但這不是濫殺濫傷。為了開始砍刀行動，Cas12a首先必須找到一個精確的DNA靶標。人們能夠通過添加一個告訴Cas12a尋找什麼的嚮導RNA分子來對這個靶標進行編程。Harrington說，「通過重新編程來發現你想要檢測的任何DNA片段是非常簡單的。」

一旦Cas12a鎖定它的靶標並進行切割，它就會開始撕碎它能夠發現的所有單鏈DNA。但是為了讓這種系統變得有用，Doudna和她的同事們需要一種方法來觀察Cas12a何時開始這種分子殘殺，從而指示它已找到它的靶標。因此，這些研究人員使用了一種發光分子（一種易於發現的熒光分子），並且這種發光分子通過一種單鏈DNA與一種阻止這種發光分子發光的抑制分子連接在一起。當Cas12a開始砍刀行動時，它切割將這種發光分子和這種抑制分子連接在一起的單鏈DNA。這就移除了這種抑制分子，讓這種發光分子發光---一種研究人員能夠檢測到的信號。

Doudna團隊隨後利用他們的DNA偵探進行測試。通過與加州大學舊金山分校的Joel Palefsky博士及其團隊合作，他們尋找來自兩種致癌性HPV---HPV16和HPV18---的DNA信號。這些研究人員獲得了25份來自未感染上HPV、感染這兩種致癌性HPV中的一種和同時感染上這兩種致癌性HPV的人的DNA樣品。對HPV16而言，DETECTR對這所有的25份樣本都作出了正確的判斷。對HPV18而言，DETECTR正確地判斷了這25份樣品中的23份。Doudna說，它錯過的樣品信號比較弱，可能能夠通過設計不同的嚮導RNA加以改進。

Harrington說，與當前的HPV檢測方法相比，DETECTR「更簡單，更快速，而且不需要專門的設備」。這可能讓該系統用於資源有限的健康中心和即時診斷。

根據美國疾病控制預防中心（CDC）的估計，大約有7900萬美國人攜帶著HPV，每年有超過4000名婦女死於宮頸癌。根據世界衛生組織（WHO）的統計，HPV16和HPV18導致70％的宮頸癌和癌前病變。

Harrington說，Doudna團隊開發的方法可能很容易地用於檢測其他類型的病毒或細菌感染，甚至是癌症標誌物，染色體異常或其他的遺傳信號。更一般地說，這些研究結果凸顯了基礎生物學的前景。對古老的細菌防禦系統的基礎研究會產生新的驚喜和新的潛在用途。Harrington說，CRISPR「是我們不斷挖掘和發現新事物的寶庫」。

參考資料： Janice S. Chen, Enbo Ma, Lucas B. Harrington et al. CRISPR-Cas12a target binding unleashes indiscriminate single-stranded DNase activity. Science, Published online: 15 Feb 2018, doi:10.1126/science.aar6245

來源：生物谷

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