张锋团队发现基因魔剪还能精准诊断传染病

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打赢价值数十亿美元的基因编辑技术CRISPR的专利官司不到两个月，华人科学家张锋及其博德研究所同事詹姆斯·柯林斯（James J. Collins）以共同通讯作者的身份，报告了CRISPR除了“基因魔剪”身份外的另一强大新功能——一种高效、简便、低廉的分子诊断工具。

美国当地时间4月13日，国际期刊《科学》在线发表了上述研究的论文。当日，张锋作为联合创始人的美国生物医药公司Editas Medicine（NASDAQ:EDIT）股价上涨4.33%。



对于这个将刷新病毒检测效率记录的系统，张锋和同事取了一个令人印象深刻的学名：SHERLOCK（Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing）。熟悉英剧和侦探小说的人不会陌生，这个学名缩写翻译成中文是有“神探”之称的夏洛克。如同有破案超能力的夏洛克，这项新问世的分子诊断工具可以从海量的生命数据中精准识别目标RNA。比如，寨卡病毒和登革热病毒因临床症状相似而很难辨别，而在SHERLOCK的帮助下，医生可以很快确认患者到底是感染了哪种病毒。

不仅于此，SHERLOCK的应用场景很广泛。据介绍，它非但可以检测病毒感染和细菌感染，还可以“侦查”到耐药基因、癌细胞的突变。此外，DNA上一些微小的序列突变也将无法在SHERLOCK的“眼皮”下溜走，这些序列突变指的是DNA上特定碱基发生了变化，而这些变化往往和很多疾病挂钩。

那么，SHERLOCK系统是依靠什么机制完成这些工作的呢？它的主要“员工”是向导RNA和Cas13a蛋白酶，前者相当于一位司机，将Cas13a蛋白“带路”到人们需要找到的特定RNA，也就是“猎物”。一旦Cas13a蛋白酶找到“猎物”，它就会把“猎物”切开。不像其他的CRISPR系统，Cas13a蛋白酶切开“猎物”后不会罢休，还会盲目地切开“猎物”周围的RNA。这时，科学家预置的荧光标记物就会发出明显的亮光，人们由此可以得到清晰的信号：SHERLOCK系统已经找到“猎物”了。“猎物”是什么则可由人们自行设计，从而达到检定和诊断的目的。

此前，CRISPR因能高效地敲除、添入基因，被誉为“基因魔剪”，风光无限，在一定程度上掩盖了它在分子诊断上的潜能。但不管是用来做基因编辑，还是用来做检定，CRISPR系列都是科学家从细菌对抗噬菌体的免疫系统中得到启发而来。

“自然界很奇妙。在过去亿万年的时间里，自然界演化出这些强大的酶系统。通过研究这些系统的基本生物学（机制），人类可以将他们中的一部分转化为会重要的实际应用，比如编辑基因，比如诊断。”张锋对《华盛顿邮报》说。

相比目前最常用的诊断技术ELISA（酶联免疫吸附剂测定），SHERLOCK系统的检测灵敏度提高了百万倍。去年，柯林斯的团队研发出基于CRISPR的寨卡病毒检定技术。而这次，柯林斯和张锋团队合作，SHERLOCK的灵敏度又在此前的基础上提高了1000倍。就算两个病毒之间只存在单个核苷酸上的差别，SHERLOCK也能将其识别出来，这就可以区别来自非洲和来自美洲的寨卡病毒。

SHERLOCK系统的优势还体现在它的“接地气”上。不需要高科技的仪器，在实验室里，把所需要检测的物品放在试纸上或试管里，SHERLOCK就能“开工”，用于“侦查”目标RNA和DNA。在成本上，每次测试仅需要0.61美元（约为4.2元人民币）。简便的操作和低廉的价格，这两个优势将让SHERLOCK系统在欠发达地区疫情突发时发挥更大的作用。

目前，张锋和柯林斯的团队已经提交了数个SHERLOCK系统在美国的专利申请，其中包括它在检定病毒、细菌、引起癌症的基因突变上的应用。

据《科学》杂志报道，柯林斯透露，博德研究所目前正在积极探索SHERLOCK系统的商业化，也在考虑成立专门的初创公司。当然，在这项富有前景的技术真正上市之前，它还需要通过美国食品药品监督管理局（FDA）等监管机构的审批。

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Two distinct RNase activities of CRISPR-C2c2 enable guide-RNA processing and RNA detection.
Abstract
Bacterial adaptive immune systems use CRISPRs (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) and CRISPR-associated (Cas) proteins for RNA-guided nucleic acid cleavage. Although most prokaryotic adaptive immune systems generally target DNA substrates, type III and VI CRISPR systems direct interference complexes against single-stranded RNA substrates. In type VI systems, the single-subunit C2c2 protein functions as an RNA-guided RNA endonuclease (RNase). How this enzyme acquires mature CRISPR RNAs (crRNAs) that are essential for immune surveillance and how it carries out crRNA-mediated RNA cleavage remain unclear. Here we show that bacterial C2c2 possesses a unique RNase activity responsible for CRISPR RNA maturation that is distinct from its RNA-activated single-stranded RNA degradation activity. These dual RNase functions are chemically and mechanistically different from each other and from the crRNA-processing behaviour of the evolutionarily unrelated CRISPR enzyme Cpf1 (ref. 11). The two RNase activities of C2c2 enable multiplexed processing and loading of guide RNAs that in turn allow sensitive detection of cellular transcripts.

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文献全文：http://pan.baidu.com/s/1i4AoVYl