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
资讯 国务院常务会议:研究健康优先发展战略实施有关工作
要牢固树立健康优先导向,深化医药卫生体制改革,健全公共卫生、医疗服务和医疗保障体系,推动医药科技创新,加快形成有利于健康的生产生活方式。
2026-08-01 10:25
资讯 总计最高4.235亿欧元付款,英派药业与Pharmanovia达成授权合作
7月30日,南京英派药业公告称,公司已与Pharmanovia订立独家合作,授予其在66个国家制造、开发及商业化塞纳帕利的独家权利。公司有望获总计最高达4 235亿欧元付款,包括首付款...
2026-07-31 16:12
资讯 凯莱英、高瓴12.397亿元增资大分子CDMO业务
7月30日晚间,凯莱英公布公告,该公司、目标公司上海凯莱英生物技术发展有限公司、凯莱英生物技术、高瓴祈睿、珠海岱恆、Hao Hong博士、凯莱同心及海河凯莱英基金订立增资协...
2026-07-31 14:23
资讯 上海市卫生健康发展“十五五”规划
7月30日,上海市人民政府印发《上海市卫生健康发展十五五规划》,其中提出构建医疗、医保、医药协同发展和治理新范式,强化医保赋能医药创新高质量发展,加大创新药械研发支持力度。
2026-07-31 13:39
资讯 康诺亚与阿斯利康合作的CMG901全球III期临床OS达主要终点
7月28日,康诺亚发布公告,与AstraZeneca合作的CMG901(AZD0901)全球III期临床试验CLARITY-Gastric01取得积极顶线结果。
2026-07-30 14:55
资讯 第12批国家组织药品集中带量采购温馨提示
明日,为第12批国家组织药品集中带量采购投标日。国家组织药品联合采购办公室特别发布《第12批国家组织药品集中带量采购温馨提示》。
2026-07-30 13:44
资讯 上海医药、和誉医药、君实生物参投15亿元上海生物医药投资基金
7月29日,上海医药、和誉医药、君实生物等联合上海国投先导基金等共同出资15亿元,成立上海上实生物医药产业私募基金合伙企业(有限合伙),由上海上实资本担任执行事务合伙人,...
2026-07-30 11:28
资讯 石药创新:CRB-701获美国FDA批准启动二线OPSCC注册性临床试验
7月29日,石药创新(300765 SZ)公告称,公司控股子公司石药集团巨石生物制药有限公司授权开发的CRB-701(SYS6002)被美国FDA批准启动用于二线口咽鳞状细胞癌(OPSCC)适应症的注册性...
2026-07-30 11:11
资讯 百奥泰收到里程碑付款225万美元
7月29日晚间,百奥泰生物制药股份有限公司发布公告称,公司近日收到Intas Pharmaceuticals Ltd 支付的225万美元里程碑付款(已扣除25万美元扣缴企业所得税,实际到账金额需扣...
2026-07-29 22:07
资讯 17个一级分类,3672个耗材编码,《上海市医疗机构医保医用耗材目录》公示
近日,上海市医保局关于调整《上海市医疗机构医保医用耗材目录》有关事项的公示,这是上海时隔多年首次以系统性、全局性的方式发布完整的医疗机构医保医用耗材目录。
2026-07-29 15:19
资讯 传奇生物CEO黄颖离任
7月27日,传奇生物宣布,黄颖博士已卸任首席执行官(CEO)及董事职务,自2026年7月24日起生效。黄颖博士将以顾问身份留任至8月以保障平稳交接。
2026-07-29 11:20
资讯 阿福“科学减重”再放大招,升级AI拍饮食功能,免费分析热量搭配食谱
7月29日,蚂蚁阿福宣布升级上线AI拍饮食功能,用户可以通过拍照、文字、语音等多种方式,让阿福测算食物的热量和营养信息,获得健康饮食搭配、运动消耗计划等建议。
2026-07-29 10:59
资讯 3家中国药企入选,全球顶级药企在世界500强中的排位
2026排行榜,世界500强企业的营业收入总和约为43 1万亿美元,超过全球GDP的三分之一,比去年增长了约3 2%。此次上榜门槛(最低销售收入)从322亿美元增长至332亿美元。所有上...
2026-07-28 20:14
资讯 迪英加科技完成数亿元C轮融资,DeepPathAI大模型加速构建数智病理新生态
本轮融资由丰誉资本、余杭国投、贝达基金、浙江浙资仙安投资联合领投,汇聚地方国资、医药产业资本、专业医疗投资机构多方力量。
2026-07-28 19:53
资讯 商汤医疗完成超 1 亿美元 B 轮融资,估值破百亿冲刺医疗世界模型第一股
公司同步进入 Pre-IPO 筹备阶段,计划启动上市前最后一轮募资,向着 “医疗世界模型第一股” 发起冲刺。
2026-07-28 19:47
资讯 国家医保局:张某坚受贿案
二审维持原判,判处张某坚有期徒刑十一年,并处罚金人民币230万元。对被告人张某坚非法所得2547 5万元及美金1万元予以没收,由扣押机关上缴国库。
2026-07-28 13:09









