张锋Science发表CRISPR技术重要成果,Jennifer Doudna如何看?

【字体: 时间:2017年04月17日 来源:生物通

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  来自哈佛大学医学院,Broad研究院的研究人员指出利用一种新CRISPR技术:CRISPR-Cas13a/C2c2,可以高灵敏度检测包括寨卡病毒感染,登革热病毒感染等在内的疾病,其原理在于将CRISPR-Cas13a与等温RNA扩增结合,检测具有单碱基特异性的RNA和DNA。

  

——基于CRISPR的诊断工具可以用于检测病原体,鉴定癌变突变和人类DNA基因型。

生物通报道:来自哈佛大学医学院,Broad研究院的研究人员指出利用一种新CRISPR技术:CRISPR-Cas13a/C2c2,可以高灵敏度检测包括寨卡病毒感染,登革热病毒感染等在内的疾病,其原理在于将CRISPR-Cas13a与等温RNA扩增结合,检测具有单碱基特异性的RNA和DNA。

这一研究成果公布在4月13日的Science杂志上,文章的通讯作者分别是张锋研究员,以及James J. Collins教授,Collins教授是合成生物学的前沿科学家之一,同时也是创造出由合成生物学发展的先进商业化技术的第一人。

文章的第一作者之一是张锋实验室的博士研究生 Omar Abudayyeh,他表示,“这个项目是我们实验室多项工作的一个总结性重要成果。我们一直对自然界细菌多样性很感兴趣,希望可以发现用于改善公共卫生和社会环境的新工具和蛋白。”

几年前,张锋研究组发现了自然存在的、具有基因组编辑潜力的三个新系统,他们将这些新蛋白暂时命名为C2c1、C2c2(现在称为Cas13a,也就是最新这项工作的重点)和C2c3,初期的实验工作探究了这些蛋白质的功能,揭示出它们与已充分确定特征、广泛用于基因组编辑的Cas9蛋白大不相同。

研究人员指出Cas13a有独特的性质,不仅靶向RNA,还可以靶向DNA,同时还能还切割了RNA附近的序列,“当它识别出靶标时,就会变得疯狂,开始切割相关的序列,”Abudayyeh说,“我们将这称为附属活性(collateral activity,生物通译)。”

这种活性是新开发的核酸检测平台SHERLOCK(Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing)的关键特征,此外SHERLOCK还包含有一个切割时发出荧光的报告RNA链。当Cas13a检测到靶标RNA序列时,其RNAse活性就会切割报告序列,释放可检测的荧光信号。


这一系统研究人员想到了福尔摩斯(Sherlock Holmes)。于是他们把这套系统称为SHERLOCK(Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing)。

“我们知道Cas13a具有灵敏的附属活性,但最初我们分析其特征时,发现其灵敏度还不够,”张锋实验室另外一位研究生:Jonathan Gootenberg说。为了解决这个问题,该小组与James Collins合作,采用了Collin研究组之前研发的纸质寨卡病毒检测技术。

将这两种技术结合起来的新系统能够以极低浓度检测单RNA和单DNA分子。 “增加放大步骤有助于将检测的灵敏度提高到百万分之一,并且能引入冷冻干燥等其它应用程序,从而真正构建出一种强大的工具。目前利用这一技术,我们可以在短短一个小时内对样品进行检测,而且其设备也是便携式的,我们可以将其冻存并重构,成本也很低,”Gootenberg说。

研究组在多个应用程序中检验了SHERLOCK。结果表明这一工具能够识别人血清,尿液和唾液中的寨卡病毒RNA,并且还可以区分寨卡病毒与登革热(这两种相近),同时也能区分各种细菌病原体,鉴定人类DNA样品中的单核苷酸多态性(SNPs)。

来自宾州大学的Changchun Liu教授(未参与该项研究)认为,这一技术实现了单分子检测灵敏度和单碱基对特异性,是一种可靠且应用广泛的工具,甚至可以说是一项卓越成果。

“目前大多数其它的核酸检测方法都需要复杂的机器,而这种检测方法操作简单,采用的是CRISPR-Cas平台(可用许多不同的测定方法),这可能是一个关键优势,”德国癌症研究中心的Michael Boutros教授(未参与该项研究)说,“之后还需要进行临床条件的大规模研究,并对现有检测方法进行进行基准测试。”

此前,加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna等人也曾分析了C2c2在检测RNA中的作用,对于最新这项成果,Doudna认为:“这一新方法通过预扩增核酸靶标来提高C2c2的检测限度。这种方法依然需要核酸扩增步骤,也有局限性……这可能会成为将其扩大到临床应用的一个限制。”

目前这种基于纸张的SHERLOCK检测每个测试的成本约为0.61美元。Collins说:“通过与Broad研究院的合作,我们目前正在考虑是自创还是与其它公司合作推出这一工具。目前已经引起了外界不同群体的广泛兴趣。”

(生物通:张迪)

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原文检索:

J.S. Gootenberg et al., “Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2,” Science, doi:10.1126/science.aam9321, 2017.

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