免疫是人類健康的第一道防線，是防衛(wèi)病原體入侵最有效的武器。今天談談細菌或古生菌的免疫。細菌免疫系統(tǒng)CRISPR-Cas的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了技術(shù)革命浪潮并產(chǎn)生了極大的社會影響。
新發(fā)現(xiàn)的Cas12/Cas13/Cas14不同于Cas9，使得CRISPR系統(tǒng)在病原體的快速診斷和腫瘤基因檢測領(lǐng)域的應用成為可能，本期我們重點關(guān)注“新魔剪”Cas12a，看看它如何瘋狂切割單鏈DNA，實現(xiàn)對腫瘤基因或特定病原體的檢測。
CRISPR-Cas系統(tǒng)背景回放
面對噬菌體的威脅，細菌進化出了一套專門針對噬菌體或外源性遺傳物質(zhì)的CRISPR-Cas免疫系統(tǒng)。CRISPR全稱為“簇狀、規(guī)律間隔的、短回文重復序列”（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats），是由眾多短而保守的重復序列區(qū)（repeat）和間隔區(qū)（spacer）組成。如圖1所示： Repeat是細菌固有序列，能夠同時結(jié)合Cas蛋白和spacer的序列，而spacer則是細菌（或是其祖先）感染過的病毒序列。一旦噬菌體感染發(fā)生，絕大多數(shù)的細菌死亡，極少部分的細菌由于其基因變異得以生存。這些細菌中的一部分，將噬菌體的DNA序列切割后，插入repeat區(qū)域中，形成spacer，從而獲得類似高等生物“免疫記憶”的能力。
隨著CRISPR-Cas機理的逐步揭示和新的Cas酶（Cas12/Cas13/Cas14）的發(fā)現(xiàn)，科學家們發(fā)現(xiàn)這個系統(tǒng)非常強大，可以精準高效地實現(xiàn)基因編輯，比如對某個基因的敲除、插入和替換等。而CRISPR系統(tǒng)的序列特異性識別能力已經(jīng)被應用在越來越多的領(lǐng)域，如醫(yī)藥，食品，農(nóng)業(yè)和工業(yè)生物技術(shù)等，這些應用很大程度上都是以Cas9為基礎進行開發(fā)的，而新發(fā)現(xiàn)的Cas12/Cas13/Cas14不同于Cas9，使得CRISPR系統(tǒng)在病原體的快速診斷和腫瘤基因檢測領(lǐng)域的應用成為可能。
Cas12a-單鏈DNA的“新魔剪”
今年4月，有CRISPR女神之稱的Jennifer Doudna 教授在《Science》撰文指出Cas12酶家族在gRNA的引導下與目標序列結(jié)合以后，便會切換為激活狀態(tài)，瘋狂的切割體系內(nèi)其它的單鏈DNA。Cas12a這一特點可被用于分子診斷領(lǐng)域，實現(xiàn)對腫瘤基因或特定病原體的檢測。在體系內(nèi)加入含有報告基團的單鏈底物后，如果Cas12a識別到靶序列（目標病原體或腫瘤基因）的存在，就會切割單鏈底物從而釋放熒光報告基團。
但是如果樣本中的目標基因含量非常少，Cas12a與gRNA復合物匹配到需檢測靶序列的概率很低。此時就需要先擴增靶序列，提高需要檢測底物的豐度。PCR（聚合酶鏈式反應）是常用于這一目的擴增手段，但是需要專門的PCR儀進行溫控反應。而另外一種信號擴增技術(shù)——重組聚合酶擴增（RPA），可以在恒溫狀態(tài)下實現(xiàn)信號的擴增，而不需要復雜的升溫降溫過程。Doudna教授創(chuàng)新性的將Cas12a靶向切割單鏈DNA的特性與RPA技術(shù)聯(lián)合起來，開發(fā)了一種名為DETECTR的技術(shù)（DNA Endonuclease-Targeted Crispr Trans Reporter）。研究結(jié)果表明，肛拭子取樣后等溫擴增10分鐘，使用Cas12a系統(tǒng)對擴增產(chǎn)物進行檢測，可以在1小時內(nèi)檢測到人乳頭瘤病毒（HPV）并準確區(qū)分兩種相似的亞型，HPV16和HPV18。DETECTR技術(shù)的開發(fā)為實現(xiàn)病原體或腫瘤基因的即時檢驗（POCT） 又提供了一個強有力的支撐平臺。
研究者基于CRISPR-Cas12a聯(lián)合 RPA技術(shù)開發(fā)的
那CRISPR-Cas12a與CRISPR-Cas9有什么區(qū)別呢？ Cas9是最早發(fā)現(xiàn)的Cas酶之一，也是目前為止研究最深入和應用最廣泛的Cas酶，在基因編輯、疾病治療等方面的應用前景巨大。然而CRISPR-Cas9缺乏切割單鏈核酸的酶活結(jié)構(gòu)域，無法用于體外檢測。而Cas12/13/14則普遍存在第二個酶活結(jié)構(gòu)域，當?shù)鞍渍_結(jié)合到靶向序列時，能夠激活這一結(jié)構(gòu)域，切割探針小分子，實現(xiàn)從待檢序列信息到熒光信號的轉(zhuǎn)化。基于它們的這一特點，在醫(yī)學檢測領(lǐng)域需要靶向檢測已知序列的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)普通實時定量PCR所無法達到的靈敏度，擺脫對實時定量PCR儀的依賴。
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