13 或許是因為LbuC2c2的特異性和非特異性剪切活性遠遠高于LshC2c2的相應活性, Doudna團隊意識到LbuC2c2可以被用來構建高特異性、高靈敏度的RNA檢測方法。若想檢測出某一特定序列的RNA分子,先將與其互補的crRNA和LbuC2c2蛋白組裝,再加上一些報告RNA分子。常用的一種報告RNA是一段寡核苷酸:一端附有一個熒光素(F),另一端有一個暗淬滅劑(Q)。由于猝滅作用,一個完整的報告RNA分子不會發出熒光。當LbuC2c2-crRNA抓到特定的靶RNA(activating target RNA)時,LbuC2c2的非特異性RNA水解酶的活性被激活,剪切報告RNA,其熒光素擺脫了Q的淬滅,釋放出熒光。這樣,通過熒光信號就可以檢驗出靶RNA的存在。Doudna團隊用這個方法成功地檢測出噬菌體的RNA(右圖中的l2, l3和l4),靈敏度達到0.01nM。
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C2c2或Cas13a系統的高度特異性取決于Cas13a-crRNA對靶RNA的識別,而高靈敏度則來自激活后的Cas13a的非特異性RNA酶活性——一個被激活的Cas13a分子可以迅速剪切大量報告RNA分子。在沒有靶RNA分子的條件下,沒有配對成功的Cas13a-crRNA就保持沉默,不會亂砍亂殺。CRISPR分子診斷技術的(剪切式)機理初步建立起來。
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15 這段時間張鋒團隊也沒閑著。他們又用”釣魚”的方法尋找新的不含Cas1的CRISPR系統。這次他們在基因庫里先撒網找到CRISPR array,再把附近的基因一塊兒撈上來。他們發現了Cas13b, 另一個靶向RNA的效應/干擾酶。此外,他們還發現了兩個輔助蛋白:Csx27和Csx28——前者抑制Cas13b的活性,而后者則加強它的活性。Cas13b的發現為以后設計多重診斷提供了一個額外的工具。這部分結果于2017年1月發表在Molecular Cell上。
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16 僅過了3個月,張鋒團隊又在Science上發表了一篇里程碑式的論文,標志著CRISPR分子診斷技術的正式建立。他們在Cas13a系統的基礎上,又引入了DNA常溫擴增技術——RPA,創造了新的技術平臺——SHERLOCK技術。待檢驗的核酸分子,如果是DNA,就先通過RPA擴增,如果是RNA,則通過RT-RPA擴增。擴增后的DNA產物再通過轉錄變成RNA分子。靶RNA的檢測最后通過Cas13a-crRNA和報告RNA來完成。SHERLOCK的名字除了是這一技術的英文縮寫外,還暗指傳奇偵探夏洛克.福爾摩斯。用SHERLOCK檢測特定的核酸分子,就好像福爾摩斯的偵探工作一樣,即使是大海撈針的問題,也會迎刃而解。
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RPA技術是由英國科學家Niall
Armes于2006年發明的。RPA和PCR功能一樣,都是指數式擴增DNA分子。但與PCR不同的是,RPA技術不需要經過溫度變化的周期。DNA模板雙鏈變單鏈、引物結合、與延伸合成全都在重組酶、單鏈結合蛋白等輔助下進行。DNA擴增在一個溫度(通常為體溫)下即可完成。因此,RPA的一個巨大優勢就是不需要特殊的設備,比如PCR儀。RPA技術也被單獨應用到分子診斷領域,但因為其靈敏度不如qPCR或digital
PCR(ddPCR)高,所以一直沒有騰飛——直到張鋒團隊把它和CRISPR結合起來。
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18 許多診斷應用的靈敏度都需要達到渺摩爾(attomolar, aM或10-18M)。有了RPA擴增這一步,SHERLOCK檢測RNA(左圖)或DNA(右圖)的靈敏度大大增加,能夠測到渺摩爾濃度的靶分子。也就是說,1微升里有一個靶DNA或RNA分子都可以檢驗出來(10-18M x 10-6L x 6.02 x 1023 molecules/mole < 1 molecule)。實現CRISPR診斷應用的最主要的一個障礙被解除了。除了增加RPA這一步,張鋒團隊把LshCas13a更換成LwCas13a也對提高靈敏度起到了一定作用。經過進一步摸索,SHERLOCK的所有反應都可以在一個溶液中完成,甚至能將所有試劑變成凍干粉固定在試劑紙上,也不大影響檢測的靈敏度。
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