張鋒團隊發佈用於快速病毒檢測的CRISPR基因編輯應用系統

RISPR作為一種強大的基因編輯技術，必將在未來改變人類抗擊癌症以及其他致命疾病的方式。但CRISPR的潛力遠遠不止如此，最新的研究顯示，這種基因編輯技術還可用於傳染病的診斷。

根據《Science》雜誌 4 月 13 日刊登的一篇論文，來自麻省理工學院和哈佛大學的Broad研究所、由張鋒和James Collins領導的科研團隊開發了一種全新版本的CRISPR，可用來檢測諸如寨卡和登革熱病毒或者其它有害細菌。這個全新的CPRSPR系統被命名為SHERLOCK，其有望成為一種低成本、易用性強的診療工具。

該論文還指出， SHERLOCK能夠有效地識別寨卡和登革熱病毒，以及各種細菌菌株如大腸桿菌、假單胞菌和肺炎克雷伯桿菌。這些細菌引起的感染的確是會導致噁心嘔吐，甚至危及生命的。他們還表明，該系統可以正確識別與癌症突變相關的遺傳序列，而且測試價格便宜，每次實驗僅為 61 美分。

論文連結：

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

到目前為止，雖然 SHERLOCK 系統還僅在實驗室中被使用過。

但是，由於這套系統非常便宜，所以它在可以診斷傳染病的手持設備上的應用前景也是非常光明。專家們一致認為，它在寨卡病毒或埃博拉病毒的檢測之中會起到重要的作用。

除此以外，其想像力還不止於此，包括孕期檢測等更為廣泛的應用在不遠的將來都將見到SHERLOCK的身影。

科學家們列舉了可以運用SHERLOCK的一些任務：

在幾小時內檢測出患者血液或尿樣中寨卡病毒的性狀;

區分出非洲和美國寨卡病毒不同的遺傳序列;

辨識出特定類型的細菌，如大腸桿菌;

檢測出耐藥基因;

模擬脫細胞DNA片段中的癌症突變;

從唾液樣本中快速讀取人類的遺傳信息以判斷是否有患如心臟病之類疾病的風險。

然而，在此之前，研究人員還是有諸多的困難和挑戰需要克服。舉個例子，為了更精確的檢測基因序列， SHERLOCK系統需要對部分RNA進行反復重制，而這種挑戰在醫療臨床應用中將會表現的更加明顯。

有鑑於此，科研人員仍需要對SHERLOCK進行不斷的升級調整，使它可以同時檢測出樣品中的不同病毒或細菌。

實際上，不同於比較常見的基因編輯工具CRISPR /Cas9，本篇《Science》論文中提到的名為CRISPR/C2c2 或 CRISPR/Cas13a 的基因編輯技術主要針對不同的基因識別並切割RNA——RNA是一種存在於所有生命形態中的一種主要的生物分子。大多數時候， RNA用於在體內幫助 DNA 合成蛋白質。

對此，論文聯合作者、麻省理工學院生物工程教授 James Collins 表示，當 C2c2 識別到 RNA 標靶時，會發生一些奇妙的事情：它會對附近的非標靶RNA進行剪切。

所以，科學家決定將 CRISPR/C2c2 設計成易於使用的診斷工具SHERLOCK，其工作流程是：CRISPR 系統被重新程式設計，以檢測人的唾液、尿液、血液、皮膚甚至糞便樣品中特定病毒或細菌的遺傳序列。當 CRISPR 檢測到它時，它就會採取相應的切割動作並釋放出螢光信號。

因此，如果血液感染了寨卡病毒，科學家就可以看到信號並迅速對病人進行診治。

寨卡病毒

其實，早在 2016 年，張鋒和他的同事首次鑒別了可以被用來切割細菌RNA序列的靶向 RNA 的 CRISPR/Cas13a 系統。當時發現不像靶向 DNA 的CRISPR/Cas9和CRISPR/Cpf1系統， Cas13a 切割完目標 RNA 後依然保持活性，而後會繼續切割非目標 RNA，因此被張鋒實驗室的科學家們稱為側切割（collateral cleavage）。

該實驗室團隊也在其文章和專利檔中描述了CRISPR/Cas13a技術一系列廣泛的應用，包括 RNA 切割和側切割活性在基礎研究、疾病的診斷和治療上的應用。

2016 年 9 月發表在《自然》雜誌上的一篇文章中，加州大學伯克利分校的Jennifer Doudna、Alexandra East-Seletsky和她們的同事利用Cas13a的側切割活性來檢測 RNA 的存在。但這種方法需要數以百萬計的分子存在，因此缺乏很多研究和臨床應用要求的敏感性。

然而，得益于張鋒團隊和同屬於Broad研究所致力於寨卡病毒診斷詹姆斯·柯林斯的合作，這種方法的敏感性增加了百萬倍。

詹姆斯·柯林斯和張鋒

在張鋒和詹姆斯·柯林斯團隊的共同努力下，他們開發出一種依賴於體溫的核酸擴增方法，提高樣品中 DNA 或 RNA 的水準。一旦樣品中的 DNA 水準增加，他們應用第二輪擴增將 DNA 轉化為 RNA，因此使得 RNA 靶向的 CRISPR 系統的敏感性提高了近百萬倍，而且幾乎適用於任何的場景環境。

James Collins 表示：這項技術對科學研究和疾病診斷非常地重要，現在我們可以高效地、方便地檢測任何核酸。

比如說，我們利用該技術檢測病人血樣中微量的癌症DNA，這將幫助我們理解癌症是怎樣隨著時間的推移而發展變異的。在公共健康方面，這項技術可以幫助研究人員監測某個群體中耐藥性細菌的比例，其在科學上的應用將會非常激動人心。

這篇文章的共同作者，同時也是 Broad 研究所的傳染病和微生物專案聯合主任Ded Hung也表示，CRIPSR/C13a系統的發現是令人興奮的，但仍有大量的工作要做，如果 SHERLOCK 的潛能夠被充分開發，它將會從根本上改變我們對常見的和新興的傳染性疾病的診斷方式。

與此同時，隨著靶向治療這一治療手段越來越多的出現在各種醫療場景中，醫療從業者也需要越來越多更加精准的診斷工具。Collins說，“隨著我們疾病治療的能力越來越強，快速、低成本的診斷過程也越來越多的被大眾所重視。”

這意味著，SHERLOCK將會有機會從中脫穎而出，它不僅可以準確地診斷患者的病情，而且對於癌症患者它還可以提供最佳的治療手段。

同是這篇論文的共同作者 Pardis Sabeti 說：SHERLOCK另一個特別強大的地方在於：不需要前期複雜耗時的驗證，其即可用來檢測。在持續的寨卡病毒爆發之後，為加快對疫情的應對，Sabeti 和她實驗室的成員就一直在收集樣品，快速地對其進行基因組測序，然後共用資料。

Sabeti表示，該系統對原始樣品進行快速處理的能力，將改變我們對寨卡及大量其它的傳染性疾病的診斷方式，而且這還僅僅是一個開始。

而後會繼續切割非目標 RNA，因此被張鋒實驗室的科學家們稱為側切割（collateral cleavage）。