張鋒最新Science！CRISPR新功能升級，可用於腫瘤DNA等多種核酸檢測

圖片來源：Science（DOI: 10.1126/science.aaq0179）

2月15日，這項新成果以「Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13, Cas12a, and Csm6」為題發表在Science雜誌上。

研究中，張鋒團隊設計了一種簡單的紙帶（paper strip），以展示基因特徵（genetic signatures）的測試結果。將紙帶浸入處理過的樣本後，會出現一條線，指示著目標分子是否被檢測到了（下圖）。此外，研究小組還提高了SHERLOCK的敏感性，增加了SHERLOCK準確量化樣本中目標數量（amount of target）以及一次檢測多個目標的能力。

Credit : Zhang lab, Broad Institute of MIT and Harvard

進行遊離腫瘤DNA等檢測

在去年首次提出SHERLOCK的論文中（題目：Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2），張鋒等在一系列不同的應用中證明了初級版SHERLOCK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）遊離DNA中識別癌症突變；6）快速閱讀人類遺傳信息。

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而在最新發表的這項研究中，研究團隊利用升級版的SHERLOCK檢測了肺癌患者血液樣本中的遊離腫瘤DNA，並同時檢測了Zika病毒和登革熱病毒。

論文的共同第一作者Jonathan Gootenberg說：「現在，不需要儀器，SHERLOCK就能讓你看到，是否你的目標存在於樣本中。」

Cas13是成功的核心

圖片來源：Science

SHERLOCK成功的核心是一種叫做Cas13的CRISPR相關蛋白。Cas13a先前被稱為C2c2。2016年6月，張鋒等在一篇Science論文中首次描述了這一RNA靶向的CRISPR酶。CRISPR-Cas13a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、Cpf1），Cas13a在切割了它的意向RNA目標後依然能夠保持「活躍」，繼續爆發性式地切割其他非目標RNA。科學家們將這種現象稱為「collateral cleavage」。

圖片來源：Nature

2016年9月，CRISPR「女神」Jennifer Doudna團隊在一篇Nature論文中提出，將Cas13a的「collateral cleavage」活性用於RNA檢測。不久後，基於Cas13a的、最初版SHERLOCK檢測工具便誕生了。

可檢測多個目標

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

起初，SHERLOCK只能一次檢測一種核酸序列，但現在，能夠用於測試多個目標，一次分析可同時給出多達4種不同目標的熒光信號。為了產生額外的信號，新版SHERLOCK使用了Cas13和Cas12a（後者先前被稱為Cpf1，它們是來自不同種類細菌的酶），能夠在單一反應中檢測出是否一個樣本含有寨卡病毒或登革熱病毒顆粒。這兩種病毒會導致患者出現類似癥狀。

敏感性提高100倍

除了檢測目標數量的升級，新版SHERLOCK也使用了額外的CRISPR相關酶來放大其檢測信號，從而使得該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.

論文的共同第一作者Omar Abudayyeh說：「經過改善，新版SHERLOCK的靈敏度提高了100倍，這對於檢測血液樣本中遊離腫瘤DNA這樣的應用是尤為重要的。因為，在這些樣本中，目標分子的濃度可能非常低。這種升級將幫助SHERLOCK成為一個更精確的系統。」

張鋒（圖片來源：網路）

革命性影響

「SHERLOCK提供了一種便宜、易於使用、靈敏的檢測核酸物質的診斷方法。此次改進不僅使得我們能夠利用SHERLOCK獲得更多的診斷信息，還讓我們離在現實生活中真正應用SHERLOCK又近了一步。該技術展示了多種醫療應用方面的潛力，包括診斷患者的感染和檢測導致耐藥性或癌症的突變。」張鋒如此評價這項新成果。

此外，Broad研究所的官網報道還表示，這項創新成果再次證實了CRISPR在基因編輯之外的應用實力，有望對科學研究以及全球公共衛生產生革命性的影響。

參考資料：

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