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测序周报 · 科研篇:张锋团队CRISPR重磅新应用,核酸检测灵敏度可达单分子

张锋团队CRISPR重磅新应用,核酸检测灵敏度可达单分子

知名华人科学家张锋教授与同事在《科学》杂志上发表论文,介绍了一种全新的CRISPR应用工具,用以检测核酸。这一工具能快速检测RNA或DNA分子,灵敏度甚至有望检测出单个核酸。这一重磅研究对于科研与全球公共卫生有着极大的影响。

早在2010年,科学家们就意识到,CRISPR平台也许能被用来检测病毒的核酸。但在当时,它的基因编辑潜力过于出众,光芒在一定程度上掩盖了其他领域应用的可能性。直到CRISPR-Cas9基因编辑技术趋于完善之时,科研人员才有余力检视它在病毒检测上的潜力。

科学家们在今日发表的这个系统与CRISPR-Cas9系统有着本质上的差异。它由向导RNA(gRNA)和Cas13a蛋白等部分组成。向导RNA能带领Cas13a蛋白识别并剪开带有特异序列的RNA。然而Cas13a有一个奇怪的特点,当它切开特异的RNA后,就无法管住自己的“双手”,开始疯狂切开它能遇到的任何RNA。利用这一特性,张锋教授与James Collins教授在这套系统里塞入了一种带有RNA的荧光标志物。平时它不会发出荧光,一旦Cas13a到处“搞事情”,这种荧光标志物的RNA就会被切开,让它发出明亮的光芒。

▲这项全新CRISPR应用的原理(图片来源:《科学》)

也就是说,只要设计好合适的向导RNA,并提供Cas13a与荧光标志物,那么一旦这套系统识别到匹配的RNA序列,就会发出荧光,告诉研究人员“我们找到了!”

这套系统的灵敏度达到了50fM(1fM为10的负15次方摩尔每升)。

尽管和之前的一些研究相比,它的灵敏度提高了数百万倍,但研究人员依然没有满足。他们想要把灵敏度进一步提高,增加到阿摩尔级(aM,10的负18次方摩尔每升)。为了达到这一目标,他们又用上了“等温扩增”(isothermal amplification)技术,进一步降低了对初始核酸浓度的需求。

在后续的实验中,研究人员发现,使用“等温扩增”技术的这套CRISPR系统无论是对RNA还是DNA,灵敏度都达到了单分子级。

这种不遗漏任何线索的特性让研究人员想到了福尔摩斯(Sherlock Holmes)。于是他们杜撰了一个名字,把这套系统称为SHERLOCK(Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing)。

这套系统开发出来可不是为了好玩。研究人员相信,它能用于各种疾病的检测。首先,研究人员在不同的病毒上测试了它的特异性。实验表明,它能很好地区分两种很类似的寨卡病毒株。这对于准确诊断病情,有效预防疫情爆发而言,有着现实的应用价值。

随后,研究人员又开始将它用于检测癌症突变。在癌症的早期诊断领域,液体活检是一大热门——科学家们希望从血液中分离出专属于癌细胞的突变,从而得知癌症是否开始发作。然而,由于血液中有着大量的非癌细胞DNA,这一检测过程也是困难无比。在今日发表的论文中,研究团队使用现成的样本,来模拟患者的血液。而实验表明,SHERLOCK同样能以阿摩尔级的灵敏度,识别出肿瘤特有的突变。

▲在人类基因组中,这套系统能轻松检测出不同的SNP(图片来源:《科学》)

类似的应用还有很多。比如,研究人员用这套系统,成功地鉴定出了人类基因组中的多个单核苷酸多态性(SNP),并能分析出每一个人的特定SNP是纯合还是杂合。在这个基因组的时代,SHERLOCK能得到很广泛的应用。

“能将Cas13a应用到灵敏度如此非同寻常的工具中,我感到非常激动。无论对科学还是临床医学,它都是很强大的工具。”张锋教授说。

▲Cas13a蛋白是这套系统的关键(图片来源:《科学》)

“我们现在能有效地制作针对任何核酸的探测器,在诊断或研究领域的应用上,这项工具无比强大,”该研究的另一名资深作者James Collins教授说道:“这项工具能在患者的血液中寻找到极少量的肿瘤DNA,帮助研究人员理解肿瘤的突变如何随着时间推移发生改变。另外在公共卫生领域,它也能帮助研究者监控耐药菌的发生频率。科学上它有无限让人激动的可能。”

我们祝贺张锋教授与他的同事们取得的又一突破,并期待看到CRISPR相关技术能给我们带来更多的惊喜。

参考资料:

[1] Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2

[2] New CRISPR tool can detect tiny amounts of viruses

[3] Scientists unveil CRISPR-based diagnostic platform

来源:学术经纬

本周科研进展

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  2. 章鱼等头足类动物在超过半数的转录基因中编辑RNA。在一项新研究中,当研究人员定量和描述头足类动物的这种RNA编辑程度时,发现这种遗传策略深刻地限制了头足类动物基因组的进化。相关研究结果发表在近日出版的《细胞》期刊上。
  3. 在一项新的研究中,来自美国伊利诺伊大学和新加坡科技研究局的研究人员利用CRISPR-Cas9技术激活链霉菌中不表达的或者说沉默的基因簇。相关研究结果于2017年4月10日在线发表在Nature Chemical Biology期刊上。论文通信作者为伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学与与生化分子工程系教授Huimin Zhao。
  4. 近日一项刊登在Nature杂志上的研究报告中,来自魏兹曼科学研究院的研究人员通过研究发现,机体肝脏这种神奇的多任务处理技能至少部分是由于肝脏细胞中的精细劳动分工所造就的。研究者发现,每一层同心层结构都会发挥不同的功能,而且肝脏细胞能够被分为至少9种不同的类型,每一种类型都会专注于自己的任务。
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  8. 近期,来自英国牛津、中国华大基因以及美国相关机构的研究人员,在《Scientific Data》杂志发表了最新研究,使用重度抑郁症(MDD)CONVERGE联盟中11670名中国汉族女性的全基因组测序数据(低覆盖度),一共得到了2千多万个高质量的基因组SNP位点,目前为止是东亚人群最大的SNP数据集。基于这些人群SNP变异信息,可以成功开展对于重度抑郁症的全基因组关联分析。

     

     

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    1. Human and Epstein-Barr Virus miRNA Profiling as Predictive Biomarkers for Endemic Burkitt Lymphoma.Oduor CI et al. Front Microbiol. 2017 Mar 28

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本文由 测序中国 作者:王迪 发表,转载请注明来源!

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