刷屏的张锋团队CRISPR重磅新应用缘何如此厉害?背后竟有诺奖级技术的支持!

医疗器械 来源:奇点网 作者:应雨妍
2017
04/20
13:56
奇点网
作者:应雨妍
医疗器械

华人科学家张锋大神又刷屏了。他和James Collins教授团队,联合将CRISPR-Cas13a改造成了灵敏度达到了阿摩尔级(aM,10的负18次方摩尔每升),可以检测单分子的SHERLOCK技术。这一重要成果刊登在今天的《科学》杂志上[1]。

就在大家在为张锋大神欢呼雀跃,在为CRISPR-Cas13a叫好的时候。我们发现,让SHERLOCK技术达到阿摩尔级灵敏度的不是CRISPR-Cas13a,是它的搭档,另一个颠覆性的发明重组聚合酶扩增技术(Recombinase Polymerase Amplification,RPA)。很少有报道提起她,她就那样默默站在CRISPR-Cas13a背后。

RPA有多厉害?据说可以媲美PCR技术。什么是PCR?着名发明家Kary Mullis因为发明这个技术于1993年获得诺贝尔奖……据了解RPA技术是由英国科技公司TwistDx发明的,发明人是Niall A. Armes和Derek L. Stemple。如果张锋和Collins教授的这项发明最终能造福人类,我们也应该记住RPA的发明人。

接下来我们就看看RPA和CRISPR-Cas13a联手,如何铸就SHERLOCK技术的。

SHERLOCK与我们特别熟悉的CRISPR-Cas9有本质上的区别,它使用的酶是Cas13a。Cas9靶向切割的是DNA,而Cas13a靶向的则是RNA;而且Cas13a是一个“奇怪而又疯狂”的酶,像Cas9在切割完特定片段后就会失活,但Cas13a则会像“吃了炫迈一样停不下来”,在切割了自己应该切割的RNA后,它还会继续去切割其他遇到的RNA。

其实在去年的6月份,张锋教授就在《科学》杂志上介绍过这个可以在细菌细胞中切割特定RNA序列的“奇怪而又疯狂”的酶了[2]。然而在面世仅仅三个月后,另一位在CRISPR基因编辑系统领域做出卓越贡献的“大神”就“找了个茬”,我想,大家应该已经猜到了,这位大神就是与张锋教授有着专利之争的,加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna教授。

Doudna教授和她的同事在《自然》杂志上发表研究,他们对Cas13a的潜力进行了验证。结果显示,如果想要让Cas13a顺利地与特定RNA结合,样本中至少需要数百万RNA分子,因此,使用Cas13a其实是达不到许多基础研究和临床应用所需要的灵敏度的[3]。

初始的Cas13a和“进化”后的SHERLOCK灵敏度的对比初始的Cas13a和“进化”后的SHERLOCK灵敏度的对比

这样的CRISPR-Cas13a是不能被称为“SHERLOCK”的,那么张锋教授是如何让它“开挂般”提高灵敏度的呢?这还要感谢和张峰教授同在Broad研究所工作的,合成生物学领域的“大牛”——James Collins教授,他同时也是这次报告的联合通讯作者。两位“大牛”携手,他们想到了一个“外援”—— RPA。

常规的PCR也可以扩增特定DNA片段,提高灵敏度,但是PCR对温度的控制有很复杂的要求,要经历高温变性、低温复性还有中温延伸三个步骤。RPA就不需要这么麻烦,它的反应需要三种在常温下有活性的酶,最适温度在37-42℃之间,不需要变性过程,这样就大大加快了扩增的速度。再加上不需要温控设备,两者共同打造了真正便携式的快速DNA扩增技术。

不仅方便快捷,RPA更“迷人”的地方在于扩增量十分高,能够将痕量的核酸(尤其是DNA)模板扩增到能够可以检测到的水平。痕量,顾名思义就是“该物质虽然存在,但只有‘痕迹’,无法用一般方法定量检测,通常含量<0.1mg”,所以大家就知道RPA有多厉害了吧?利用它可以从单分子得到大约1012的扩增产物。而且RPA还不需要复杂的样品处理,及时环境限制,无法提取核酸,也难不倒它[4]。

利用RPA,在室温中,样品中DNA或RNA的含量就可以得到提升,一旦含量增加了,再将DNA转化为RNA。如此,Cas13a就有资格进化成“SHERLOCK”了!

不过SHERLOCK其实是一个“团队”,研究人员给Cas13a“配备”了两个助手:一个是引导它到达应该被切割的特异性RNA的“向导RNA”;另一个叫做“报告RNA”,因为Cas13a在切割完特定RNA后不会失活,所以在Cas13a完成任务开始“作乱”的时候,报告RNA就会被切断,发出荧光信号。研究人员们就知道,它已经找到了与其相匹配的RNA序列。

SHERLOCK的工作原理

那么SHERLOCK现在能为我们做什么呢?研究人员已经证实,它可以应用于多种疾病,例如传染病病原体的检测、癌症相关的基因突变的检测。

使用SHERLOCK可以分辨出美洲寨卡病毒和非洲寨卡病毒,两种病毒株差异显著

在研究中,他们用含有寨卡病毒和登革热病毒的血样进行了测试,结果显示,即使病毒的滴度(即病毒的毒力)很低,SHERLOCK还是能捕捉到,而且对于类型很是相似的非洲寨卡病毒和美洲寨卡病毒,SHERLOCK也能准确的分辨出它们的“身份”。除了血液之外,唾液和尿液也都可以“为SHERLOCK所用”。

除了病毒的检测外,在大热的癌症液体活检方面,SHERLOCK也显示了一把它的身手。在人体内,每时每刻都有DNA片段进入血液循环中,对于肿瘤患者来说也不例外,所以血液中也能检测到与肿瘤有关的DNA片段。但是肿瘤相关DNA的比例极低,因而检测的难度也是很大的。在研究人员的设计下,他们用酶将DNA转化为RNA,这样SHERLOCK就可以靶定血液中的与肿瘤有关的突变了!

研究人员以两个基因突变为例,进行了验证,他们发现,即使突变的基因只占到基因组DNA的0.1%,SHERLOCK还是能够将它们检测出来!这无疑会为液体活检领域带来不小的进步。研究的第一作者Jonathan Gootenberg说:“SHERLOCK对两种类型的核酸(DNA和RNA)都很有用,它真正的优势在于切割完特定片段之后还具有活性,能够触发‘荧光报告’,让我们知道。”

在人类基因组中,SHERLOCK可以检测出不同的多个单核苷酸多态性(SNP)

除了这些之外,SHERLOCK还可以检测人类基因组中的多个单核苷酸多态性(SNP,指基因组水平上单个核苷酸变异引起的DNA序列的多态性,是人类可遗传变异中最常见的一种)、抗生素抗性基因、区别包括大肠杆菌和铜绿假单胞菌在内的5种特定类型的细菌,而且根据研究人员的介绍,SHERLOCK甚至还可以区分肺炎球菌和杆菌不同的耐药突变类型!这些对于细菌感染患者的诊断、治疗都有非常重大的意义。

对于如此强大的SHERLOCK,曾经“挑过刺儿”的Doudna教授表示,“未来有很多疾病的检测会应用到SHERLOCK,我们很高兴看到他们的新成果建立在我们曾经提出的‘疾病检测’的主意上,而且我们曾经的‘检验工作’看起来对他们也非常有帮助。”[5]

目前,SHERLOCK在使用的时候可以将所需要的化学物质放在一张玻璃纤维纸上,在各种场景中使用,而且每次的成本只需要61美分。研究人员认为,如此方便、快捷的测试对于新传染病爆发时的准确检测有着十分重大的意义,因为传染病最开始出现的地方往往是一些环境较差的不发达国家。

由于SHERLOCK广泛的应用范围,所以如何“商业化”也是研究人员很关心的一个问题,Collins教授说,他们目前正在积极的探索中,很可能会成立一家公司来实现这个目标。当然了,商业化的SHERLOCK什么时候能够正式进入市场,这一切都还需要技术的继续完善和FDA等机构的监督和认可。

参考文献:

[1]Jonathan S. Gootenberg et al. Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2. Science, 2017 DOI:10.1126/science.aam9321

[2] Abudayyeh O O, Gootenberg J S, Konermann S, et al. C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector[J]. Science, 2016, 353(6299): aaf5573.

[3] East-Seletsky A, O'Connell M R, Knight S C, et al. Two distinct RNase activities of CRISPR-C2c2 enable guide-RNA processing and RNA detection[J]. Nature, 2016, 538(7624): 270-273.

[4] Piepenburg O, Williams C H, Armes N A, et al. Recombinase polymerase amplification: U.S. Patent 7,399,590[P]. 2008-7-15.

[5] http://www.sciencemag.org/news/2017/04/new-crispr-tool-can-detect-tiny-amounts-viruses

来源:奇点网   作者:应雨妍

为你推荐

诺华创新药物飞赫达®(盐酸伊普可泮胶囊)C3G适应症在中国获批资讯

诺华创新药物飞赫达®(盐酸伊普可泮胶囊)C3G适应症在中国获批

首款且唯一选择性靶向C3G病因药物,填补临床治疗空白

2025-04-02 18:14

国家卫健委:商业化人源细胞系是否纳入人类遗传监管?资讯

国家卫健委:商业化人源细胞系是否纳入人类遗传监管?

4月1日,国家卫健委科教司发布《人类遗传资源管理有关问题解答之一》。

2025-04-02 17:49

《NPJ digital medicine》刊发李冬梅教授团队成果:AI赋能高效识别眼睑肿物资讯

《NPJ digital medicine》刊发李冬梅教授团队成果:AI赋能高效识别眼睑肿物

亚太眼整形外科学会主席、中华医学会眼科分会眼整形眼眶病学组副组长李冬梅教授团队携手爱尔数字眼科研究所,在《NPJ digital medicine》(影响因子:12 4)学术期刊发表团队...

文/李林 2025-04-02 10:27

角膜移植点燃生命之光,爱尔眼科致敬全国角膜器官捐献者资讯

角膜移植点燃生命之光,爱尔眼科致敬全国角膜器官捐献者

角膜病是我国第二大致盲眼病

文/屈慧莹 2025-04-02 09:36

千亿GLP-1市场再添重磅产品,华东医药司美格鲁肽注射液国内上市申请获受理资讯

千亿GLP-1市场再添重磅产品,华东医药司美格鲁肽注射液国内上市申请获受理

本次申报适应症为成人2型糖尿病患者的血糖控制

2025-04-01 17:34

默克全球执行副总裁周虹:合作与创新是默克未来五年战略的两大关键词资讯

默克全球执行副总裁周虹:合作与创新是默克未来五年战略的两大关键词

近日,德国默克医药健康全球执行副总裁、中国及国际市场负责人周虹带领医药健康中国及国际市场管理团队开启了2025年度首次“中国行”。

2025-04-01 17:11

首个且唯一,阿斯利康PD-L1单抗获FDA批准治疗肌层浸润性膀胱癌资讯

首个且唯一,阿斯利康PD-L1单抗获FDA批准治疗肌层浸润性膀胱癌

度伐利尤单抗联合吉西他滨和顺铂作为新辅助治疗,随后度伐利尤单抗作为根治性膀胱切除术后的辅助单药治疗,用于治疗肌层浸润性膀胱癌成年患者。

2025-04-01 14:37

全国首个,湖北为脑机接口医疗服务定价资讯

全国首个,湖北为脑机接口医疗服务定价

昨日(3月31日),据“湖北发布”消息,湖北省医保局发布全国首个脑机接口医疗服务价格,其中,侵入式脑机接口置入费6552元 次,侵入式脑机接口取出费3139元 次,非侵入式脑机...

2025-04-01 11:03

一款国产创新流感药,获批资讯

一款国产创新流感药,获批

近日,据国家药监局官网信息显示,青峰医药下属子公司江西科睿药自主研发的1类创新药玛舒拉沙韦片(商品名:伊速达)正式获批上市,用于既往健康的12岁及以上青少年和成人单纯性...

2025-04-01 10:22

26省联盟药品集采启动,聚焦妇科用药和造影剂资讯

26省联盟药品集采启动,聚焦妇科用药和造影剂

近日,山西省药械集中招标采购中心发布《关于做好二十六省联盟药品集中带量采购品种数据填报工作的通知》,开展相关采购数据填报工作。

2025-03-31 21:48

优时比罗泽利昔珠单抗注射液(优迪革)中国获批,全球首个且唯一双亚型创新药治疗全身型重症肌无力资讯

优时比罗泽利昔珠单抗注射液(优迪革)中国获批,全球首个且唯一双亚型创新药治疗全身型重症肌无力

作为唯一人源化、高亲和力且具备创新修饰结构的IgG4单抗,关键Ⅲ期MycarinG试验证实罗泽利昔珠单抗注射液(优迪革®)较安慰剂显著改善全身型重症肌无力患者的多个临床终点与结局。

2025-03-31 15:58

从手术麻醉到生命全周期护航,麻醉学科发展拓宽生命边界资讯

从手术麻醉到生命全周期护航,麻醉学科发展拓宽生命边界

3月26日,由中华医学会麻醉学分会、中国医师协会麻醉学医师分会等23家学协会共同举办的2025年中国麻醉周学术活动的启动仪式举办,该活动以“生命之重,大医精诚——守生命保驾护...

2025-03-31 15:30

欧狄沃联合逸沃成为中国目前唯一获批的肝细胞癌一线双免疫联合疗法资讯

欧狄沃联合逸沃成为中国目前唯一获批的肝细胞癌一线双免疫联合疗法

欧狄沃联合逸沃对比仑伐替尼或索拉非尼,可显著改善不可切除肝细胞癌一线患者的总生存期(OS),客观缓解率(ORR)可改善近3倍,中位缓解持续时间(mDOR)达30个月

2025-03-31 13:45

罗氏制药榜首 “现金牛” 产品罗可适(奥瑞利珠单抗)在华获批:开启多发性硬化症一年两次治疗新时代资讯

罗氏制药榜首 “现金牛” 产品罗可适(奥瑞利珠单抗)在华获批:开启多发性硬化症一年两次治疗新时代

罗氏制药今日(3月31日)宣布,其旗下创新药罗可适®(Ocrevus®,通用名:奥瑞利珠单抗注射液 ocrelizumab injection)正式获得中国国家药品监督管理局批准,每六个月静脉输...

2025-03-31 13:39

与拜耳“分手”后,华堂宁卖得更好了资讯

与拜耳“分手”后,华堂宁卖得更好了

日前,华领医药公布了华堂宁被纳入国家医保目录后首个完整年的业绩数据。

2025-03-31 11:21

三生有幸,医者仁心:三生制药向全体医药工作者致敬!资讯

三生有幸,医者仁心:三生制药向全体医药工作者致敬!

3月30日是国际医师节,由三生制药公益支持的以“三生有幸,医者仁心”为主题的公益活动,携手20位医生代表,以寄语海报的形式,共同向全体医护人员表达诚挚的祝福与关爱。

2025-03-30 17:38

新版药典自2025年10月1日起实施资讯

新版药典自2025年10月1日起实施

3月25日,国家药监局官网发布《国家药监局 国家卫生健康委关于颁布2025年版的公告(2025年第29号)》,2025年版《中国药典》自2025年10月1日起施行。

2025-03-30 17:07

向C端发力,华大集团首届健康同行合作伙伴大会圆满举行资讯

向C端发力,华大集团首届健康同行合作伙伴大会圆满举行

3月29日,以“科技普惠,健康生活”为主题的华大集团首届健康同行合作伙伴大会在华大时空中心成功举办,通过报告演示、展台展示等方式,首次系统性地向外界展示运用生命科学前沿...

2025-03-30 10:38

礼来记能达(多奈单抗注射液)在华上市,用于阿尔茨海默病早期患者资讯

礼来记能达(多奈单抗注射液)在华上市,用于阿尔茨海默病早期患者

用于治疗成人因阿尔茨海默病引起的轻度认知障碍(MCI)和阿尔茨海默病轻度痴呆

2025-03-30 09:15

广州试点创新药械“医保+商保”同步结算资讯

广州试点创新药械“医保+商保”同步结算

本次试点依托国家医保信息平台,在22家试点医院实现医保+商保一站式同步结算,通过提供“商业保险创新药械结算清单”,商保理赔金额将一目了然,市民只需支付医保和商保报销后的...

2025-03-28 18:41