基于CRISPR的技术可以检测病毒DNA
一个强大的基因组编辑工具可以作为一个王牌DNA探测器部署,能够嗅出发出病毒感染,癌症,甚至是有缺陷基因的DNA片段。
这种遗传探测器是在加州大学伯克利分校的霍华德休斯医学研究所(HHMI)研究员Jennifer Doudna的实验室中开发的,它使用称为CRISPR的基因组切片系统。通过将CRISPR与分子火炬枪的功能相结合,Doudna和她的同事设计了一种简单的方法,可以实现快速,可靠的医学检测。
这种叫做DETECTR的新方法“能够灵敏准确地检测DNA,”Doudna说,并且能够在人体样本中发现两种致癌的人乳头瘤病毒(HPV)。她和同事们首先在2017年11月发布在bioRxiv.org上的预印本中报告了他们的结果。同行评审报告于2018年2月15日刊登在“科学”杂志上。
DETECTR或DNA Endonuclease Targeted CRISPR Trans Reporter基于CRISPR,一种可以切断和禁用病毒和其他威胁的细菌防御系统。自发现以来,CRISPR已被渴望选择性剪切和修复基因组的科学家们所选择。在这项新研究中,Doudna和她的同事表明,CRISPR生物学也可以以另一种方式使用 - 作为DNA归巢信标。
DETECTR依赖于Cas12a,这是2015年描述的一种酶。与其分子堂兄Cas9一样,Doudna和同事Emmanuelle Charpentier在2012年转变为基因组编辑工具,Cas12a剪断了DNA。但是,Cas12a不仅仅剪断它所结合的DNA链,而且还会切断其他DNA。“我们开始看到这种令人惊讶的活动,它只会开始随机切割,”Doudna实验室的研究合着者Lucas Harrington说。
研究人员看到,在某些情况下,酶会变成DNA切碎机,切割附近的任何单链DNA。但这并非滥杀无辜。对于弯刀动作开始,Cas12a首先必须找到精确的DNA目标。研究人员可以通过添加指南来编程该目标 - 一种RNA分子告诉Cas12a要寻找什么。“重新编程可以很容易地找到你要检测的任何DNA片段,”哈灵顿说。
一旦Cas12a锁定并剪断目标,它就会开始粉碎它可以找到的所有单链DNA。但是为了让系统变得有用,Doudna及其同事需要一种方法来看看Cas12a何时开始这种分子混乱,表明它已经找到了它的目标。因此,研究人员使用了一种发光的分子 - 一种易于点状的闪光 - 通过单链DNA链接到抑制发光的抑制分子。当Cas12a变成弯刀时,它切割将这两个分子连接在一起的DNA链。这消除了抑制剂,让发光的分子发光 - 这是研究人员可以检测到的信号。
然后该团队将他们的DNA探测器进行测试。他们与旧金山加利福尼亚大学的Joel Palefsky博士及其团队合作,寻找来自两种致癌HPV的DNA信号:16型和18型。研究人员从没有HPV的人那里获得25份DNA样本感染,一种病毒或两种类型。对于HPV16,DETECTR对所有25个样品做出了正确的调用。对于HPV18,DETECTR适用于25个样品中的23个样品。Doudna说,它错过的信号可能会通过不同的指导RNA设计得到改善。
与当前检测HPV的方法相比,DETECTR“更简单,更快捷,不需要专门的设备”,Harrington说。这可以使该系统在资源有限的健康诊所和即时诊断中发挥作用。
据疾病控制和预防中心估计,约有7900万美国人携带HPV,每年有4,000多名女性死于宫颈癌。据世界卫生组织统计,HPV16和HPV18共同导致70%的宫颈癌和癌前病变。
Harrington说,Doudna团队的方法可以很容易地应用于其他类型的病毒或细菌感染,甚至癌症标记,染色体异常或其他遗传信号。更一般地说,结果突出了基础生物学的前景。对古老细菌防御系统的基础研究不断引发新的惊喜和新的潜在用途。“我们不断挖掘并发现新事物,”我是一个宝库,“哈灵顿说。
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