基于CRISPR的基因编辑技术的创新应用集中爆发

来源：基因谷

近期，基于CRISPR基因编辑技术的创新应用集中爆发，现在就跟随我们一起来认识下这些意义非凡的创新应用，这些应用不仅会促进基因科技的发展和应用，对整个生命科技和医学发展都具有重大意义：

《Science》同时刊发 CRISPR 两大顶尖阵营最新成果：不仅仅用于基因编辑，还能检测HPV，寨卡等病毒感染！（DeepTech深科技）

2月15日的《Science》上发表的两项研究分别展示了由 Jennifer Doudna 和张锋实验室基于 CRISPR 系统开发的全新诊断工具。

在其中一篇论文中，Doudna的团队展现了一个名为DETECTR的系统，它可以准确地识别人源样本中不同类型的 HPV 病毒。在另一篇论文中，张锋团队则展示了性能优化的 SHERLOCK 系统，该系统于去年开发成功，用于检测人源样本中的寨卡病毒，登革热病毒以及其他有害细菌。 

这两篇论文共同证明了 CRISPR 的巨大潜力，而不仅仅只用于基因组编辑。

“它使新一代诊断技术成为可能，并且比目前的技术更具成本效益” ，罗切斯特大学生物化学和生物物理系的助理教授 Mitchell O'Connell 说。 

Doudna 团队：100%准确检测出 HPV 16 感染

在《Science》发表的研究中，Doudna 团队使用的是 CRISPR-Cas12a 系统。他们发现一个很有趣的现象：这种 CRISPR 系统在剪切靶向的双链 DNA 的同时，Cas12 的 DNA 酶活性会被激活，而该酶能非特异性切割单链 DNA（ssDNA）。

该研究的共同作者，加州大学伯克利分校实验室研究员 Janice Chen 对此表示：“这是一个意外但是很‘疯狂’的发现。”

图丨 DETECTR 工作原理

之所以说这是一个“疯狂”的发现，是因为这个发现为细胞内检测是否含有某目的DNA 提供了一个全新的思路：同时向细胞内递送靶向该 DNA 的 CRISPR-Cas12a 系统和非特异性 ssDNA 荧光报告基因（FQ-labeled reporter），一旦检测到目的 DNA，CRISPR-Cas12a 系统将启动，与此同时，荧光报告基因也会被降解，从而释放出荧光信号。

基于此，Chen和她的同事们开发了一种可用于诊断病毒感染的新型诊断工具，并通过与等温核酸扩增技术的联用提高了灵敏度。该工具被命名为DNA Endonuclease Targeted CRISPR Trans Reporter，简称 DETECTR。

到目前为止，科学家们已在试管水平证明 DETECTR 可以100%准确地检测出HPV16感染，92％准确地检测出 HPV18 感染。HPV16 和 HPV18 能增加患者发生癌症的概率，是两种特别危险的HPV 亚型。

“当然，我们还需要不断改进该系统。但从原则上来说，这个想法是可行的，我们真的很兴奋。”Chen说。

令人欣喜的是，相比于其他测试，DETECTR测试价格低廉且快捷：单次成本不到一美元，只需一个小时。

现在，Chen和她的团队正在努力开发能轻松读取荧光信号的硬件设备。他们还想测试系统是否能响应其他人源样本，如血液，唾液或尿液。

张锋团队：灵敏度提高100倍，可检测多种病毒

去年，张锋团队向公众展示了 SHERLOCK 如何利用 CRISPR-Cas13a 在多种人类样本（如唾液）中发现寨卡，登革热的 RNA 序列，甚至一些与癌症突变相关的序列。

而今，SHERLOCKv2 诞生了。与 SHERLOCK 相比，其灵敏度提高了100倍，并能在同一样品中检测出多种病毒感染，比如能同时检出寨卡 和登革热病毒。

之所以能达到这样效果，是因为他们在 SHERLOCKv2 中引入了多种来自不同种属细菌的 Cas13 酶，如 LwaCas13a 和 PsmCas13b。

图丨 CRISPR-Cas13a 

这些不同的 Cas 酶对不同的RNA序列表现出不同的“偏爱”程度。换句话说，同时向细胞递送多种酶和多种不同荧光的报告基因，一旦 CRISPR 系统发现目的基因，对应的Cas13就会启动剪切酶活性，剪切相应的荧光报告基因，从而释放出荧光信号。

这原理其实和 Doudna团队的 DETECTR 基本一致，只不过张锋团队设计的荧光报告基因必须是特异性，而 Doudna 团队则是非特异性的。然而，也正是“特异性”这个优点使得 SHERLOCKv2 可以同时检测多种序列。

同样相似的思路是，为了提高灵敏度，张锋团队也引入了等温核扩增技术。但是除此之外，他们向体系中还引入了CRISPR type-III中的Csm6酶。Csm6酶的特异性切割序列为环腺苷酸分子和末端为2’,3’-环磷酸的线性腺苷酸。他们发现通过设计CRISPR系统使得Cas13剪切后的序列是Csm6酶的靶向序列，能大大提高灵敏度。

“这些放入一个管中的所有酶，它们不仅相互作用发挥了更好的作用，而且让我们得到了珍贵的生物学信息。这真是太棒了，充分向我们展现了生物化学的强大力量”，论文的共同作者，来自张锋实验室的博士生 Jonathan Gootenberg说。

目前，病毒感染诊断一般包括病毒分离与鉴定、病毒核酸与抗原的直接检出以及特异性抗体的检测，不仅耗时长，而且对医疗设备和操作人员的专业水准要求很高。因此，如果能开发出一种不需依赖贵重设备和医护人员的智能诊断设备显得非常重要，尤其对于病毒感染经常肆意横行的发展中国家。

而与 DETECTR 相比，张锋团队论文所描述的诊断工具SHERLOCKv2离这样的目标更进一步。

图 | SHERLOCK 试纸检测结果展示

像 DETECTR 一样， SHERLOCK 也使用荧光信号作为输出。但是不仅仅限于此，张锋团队还开发了类似于验孕棒一样的试纸检测方法。现在，不需要任何特殊设备，只需一张试纸，SHERLOCKv2 就能显示出病毒感染检测结果，非常易于使用。

“试想一个很糟糕的情况，没有任何能源如电力。然而只要有样品，SHERLOCKv2 试纸就能在现场发挥作用”，O'Connell 称。而且它也很便宜：SHERLOCKv2 试纸只需几美元。

虽然 DETECTR 和 SHERLOCK 已向我们展现出它们在诊断中的强大力量，但是在进入临床使用前，研究者们仍有很多工作需要做以确保诊断的准确性。

不过，相信这些新诊断工具绝对将改写未来的诊断技术，尤其将给那些缺乏先进设备和训练有素的人员的发展中国家带来很大不同。“它有影响人类健康和全社会的真正潜力”，来自张锋实验室的另一位博士生、该论文的共同作者Omar Abudayyeh说。

总而言之，两支团队正在开发的这些基于CRISPR、用于快速诊断感染的便宜设备，有望为全球，特别是发展中国家的病毒（如 HPV 和寨卡）感染诊断，带来一场真正的革命。

哈佛大学顶尖华人学者发明细胞照相机！华人顶尖科学家再一次发明颠覆性生物医学技术！

最新一期的国际著名期刊《科学》杂志发表一篇重磅文章，由著名华人科学家、2017全球十大科技突破入选者、哈佛大学David Liu教授和学生唐微信（音译：Weixin Tang）两个人发表，他们采用CRISPR技术来记录细菌或者细胞对抗生素、营养物质、病毒、光等的信号改变。

▲David Liu教授和博士后Weixin Tang在著名学术期刊《科学》杂志上面发表的文章

这项被研究者们叫做“CAMERA”的技术可以说是CRISPR领域的又一大重大突破！不但《科学》杂志在最新一期中配发了相关的评论“‘CAMERA’ records cell actionwith new CRISPR tricks”；另一著名学术期刊《Nature》也在第一时间发表了相关报道“CRISPR hack transforms cells into data recorders”。足见科学界对这项创新性生物工程及信息技术的重视程度。

▶记录细胞的历史◀

人类有历史，从古至今的迁徙演变；动物也有历史，比如你养的小宠物，从小养到大甚至老去；植物也有历史，比如门前的大树，你小时候见到它恐怕又细又矮。

细胞有没有历史呢？答案是肯定的，因为细胞也有从诞生到衰老死亡的过程。

人类记录自己的成长历史，比如一个小孩子从出生到老去，那非常好办，有照相机或者录像机就可以解决问题。

要记录一个细胞的衰老死亡，从表面上看也比较容易，只需要在显微镜下面拍照或者录像就行了。然而，要记录细胞或者细菌在遇到刺激比如营养物质、光、热、抗生素、病毒等等的时候，细菌或细胞究竟发生了什么？激起了哪些信号通路或者分子的变化？等等，这些分子层面的东西，要记录下来那是相当不容易，一方面你用显微镜观察也很难看见，另一方面，细胞经历了这些变化之后，经过一段时间可能又恢复了正常了，因此，你很难判断细胞的历史（Cell' History）中是否经历过上述变化。

要记录这些变化，那就要用到下面将要介绍的哈佛大学David Liu教授和博士后Weixin Tang的利用CRISPR技术改造的名叫：CAMERA的技术了。

▲基因编辑技术大咖David Liu教授，发明了基于CRISPR的单碱基编辑技术，从而把第三代基因编辑技术推向又一高峰（图片来自网络）

▶CAMERA一代◀

这项广受关注的技术叫做CAMERA，照相机的意思，是CRISPR-mediated analog multi-event recording apparatus的首字母缩写。

再一次说明，David Liu教授深得取名字的精髓，确实，名字取好了便于科学传播。

如何在细胞中记录信号？

研究者们在CAMERA一代（实际上是CAMERA1.1）中，把CRISPR-Cas9基因（spCas9）和表达sgRNA（引导RNA）都同时构建到一个质粒中，而Cas9基因和sgRNA的前面都放入小分子化合物诱导表达的启动子（常用的TetO启动子，需要四环素诱导表达，anhydrotetracycline，aTc；而LacO启动子则需要化合物IPTG的诱导）。

▲spCas9基因表达的表达受到小分子化合物诱导启动子的控制，比如，需要spCas9蛋白的话，就必须要加入四环素（anhydrotetracycline，aTc）这个化合物，有这个化合物就有spCas9表达，这样一来就能够在特定位置剪切DNA，而要是没有这个化合物spCas9就不表达，这样就不能够在特定位置剪切DNA（图片来自Science）

因此，spCsa9的表达受到四环素aTc的控制，而sgRNA的表达则受到IPTG的控制；换句话说，环境中的四环素这种抗生素就能够刺激spCas9的表达，而环境中的IPTG这种小分子就能够刺激sgRNA的表达。因此，要是环境中既存在四环素，又存在IPTG，那么，就会产生spCas9蛋白和相应的sgRNA。

产生spCas9和相应的sgRNA有什么用呢？

众所周知，这两样东西一结合，就会在特定的基因或者DNA序列位置剪切DNA。

然而，直到这里也没有什么新意，这本来就是CRISPR-Cas系统干的事情。

但是，这里不得不注意一点，不知道你有没有注意到，对于细菌而言，通过上面的诱导型操作就将四环素和IPTG这样的化合物转变成了spCas9和sgRNA这样的信号，进一步就变成了切割DNA的工具。

而spCas9和相应的sgRNA结合之后，要切割什么DNA序列呢？

这就是CAMERA技术的关键了。

▲CAMERA技术的原理图（注意R1与R2的三个碱基序列不同）

研究者们将绿色荧光蛋白（EGFP）（发绿色荧光）基因以及仅有三个碱基不一样的突变绿色荧光蛋白（mEGFP）（不能发荧光）基因构建到质粒中，分别称为recorder plasmid1（R1）和recorder plasmid2（R2），作为记录质粒（见上图）。

然后把这两种质粒R1和R2按照一定拷贝数量比例（比如R1：R2为58:42）转入细菌（或细胞）中，此时，细菌（或细胞）就发强烈的绿色光（由于R1这种表达正常荧光蛋白的质粒多一些）；然而，一旦上面所述的spCas9和相应的sgRNA（专门靶向结合正常的未突变的EGFP基因的）结合之后，spCas9-sgRNA复合物就会结合到R1质粒的EGFP序列上，剪断EGFP的序列，结果就使得R1质粒不能够表达绿色荧光蛋白了，这样一来，细菌（或细胞）就会在荧光显微镜下变得看不见（因为细菌中表达正常绿色荧光蛋白EGFP的R1质粒被破坏了）（当然，实际上可能是变得暗淡）。

因此，细菌由强烈的绿色光转变为没有绿色荧光，这就是信息学上面的“逻辑门”（1,0）的概念，有绿色光代表1，无绿色光代表0。这就如同电灯泡，电灯泡亮着，就意味着有人还在，可以用1来表示；而一旦关灯，就意味着这个人要休息了，可以用0来表示。

因此，开灯和关灯就是一种信号；类比到这里，绿色荧光到没有荧光就是一种信号。

现在来复盘一下：四环素和小分子化合物IPTG共同刺激细菌，就产生了spCas9和针对EGFP的sgRNA，而它们一旦结合，就会剪切发绿色光的R1质粒，进一步造成R1质粒数量变少（甚至没有），从而导致细菌不能发光。这样一来，四环素和IPTG对细菌的刺激就一步步变成了绿色光转变成无光，因此，抗生素等化合物的信号就转变成了光信号。

现在来逆推一下：细菌由发强烈的绿光转变成不发光，意味着什么呢？这就意味着细菌同时感受到了四环素和IPTG这两种化合物的刺激。

因此，我们只需要观察到细菌由绿色变成没有颜色，我们就能够知晓细菌受到了抗生素（四环素）和化合物IPTG的共同刺激（当然，这里必须注意的是，实际上也可以不需要观察荧光，而直接采取测序的方法测定R1和R2质粒的拷贝数比例的变化也能够知晓细菌受到抗生素和IPTG的刺激没有）。

▶CAMERA二代◀

实际上，上面的CAMERA一代相当的繁琐，一方面，虽然观察绿色光信号比较容易，但是谁没事在那显微镜下一直观看细菌（或细胞）发光呢？另一方面，虽然也可以通过测定R1质粒和R2质粒的比例来确定细菌受到抗生素和小分子化合物刺激没有，但是这个R1质粒和R2质粒的初始比例却非常难掌握，需要做很多实验来确定这个比例。

简而言之，CAMERA第一代太麻烦了，有没有更简单的方法呢？

当然是有的，这就是升级版的CAMERA二代，这其中就需要使用David Liu实验室独家秘籍，一种叫做单碱基编辑（Base Editor）的CRISPR技术了。

▲CAMERA2技术的原理图（主要利用了David Liu实验室的独门技术：单碱基编辑技术Base Editor）

这个CAMERA第二代简单说来就是：你外界的物质（比如抗生素）刺激细菌（或细胞）一下，细菌携带的单碱基编辑器（Base Editor）就在特定的基因组中不重要的位点（比如某内含子中）替换一对G-C变成A-T，这样一来，一旦在特定位点通过测序测定到原先的碱基G-C变成了A-T，那么，就可以确定细菌（或细胞）受到了抗生素的刺激了。

因此，外界的抗生素等化学物质就转变成了基因突变信号，你来一个刺激，细菌细胞中的单碱基编辑器Base Editor就给细胞中的基因组打上一个突变（G-C到A-T），因此，我们只需要检测特定位置（比如基因组中某基因第2000个碱基）发生了G-C到A-T突变就可以判断细菌曾经遭受过什么刺激。

这不得不说太方便了，就像到医院去体检，几十个体检项目，检测完一个就盖上一个章，只需要看有没有盖章就能够判断你检测这个项目没有。

Science：利用基于CRISPR/Cas9的DNA标记技术观察动态的DNA舞蹈

DNA在转录期间发生抽动，让相距较远的基因组区域接触，从而增强基因表达。在一项新的研究中，来自美国斯坦福大学的研究人员开发出一种新的方法来标记单个非重复性的DNA序列。相关研究结果于2018年1月25日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Transcription-coupled changes in nuclear mobility of mammalian cis-regulatory elements”。

图片来自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。 

这些研究人员发现DNA在转录期间甩动，就像一束意大利面条被吸入噘起的嘴唇中。就像由此产生的失控飞行的酱汁一样，这个令人吃惊的发现与传统观点---它推测将相隔较远的增强和促进基因表达的基因组区域聚集在一起需要静态的DNA环---背道而驰。

这种新的DNA标记技术能够利用荧光分子精确地标记任何单个DNA片段，并追踪它们的三维位置和运动，从而允许揭示出这种DNA舞蹈。这些研究人员将这种技术称为嵌合gRNA寡核苷酸阵列（chimeric array of gRNA oligo, CARGO）。它是CRISPR/Cas9基因编辑工具的一种变体，有望引发基因组动力学研究变革。

“完全是意料之外和令人吃惊的”

论文通信作者、斯坦福大学医学院发育生物学教授、化学与系统生物学教授Joanna Wysocka博士说，“我们发现当DNA聚合酶通过一段DNA时，它提供了一种分子搅动（molecular agitation）源，这种分子搅动增加了局部的染色体结构域内的移动性，并且能够重复地将相隔较远的基因组区域聚集在一起。这完全是出乎意料和令人吃惊的，并且直接反驳了关于转录的普遍看法。这仅是我们和其他人如今能够通过利用CARGO对特定的DNA区域进行标记而学习到新知识的一个例子。”

CRISPR最常被用来寻找基因组中的特定DNA序列，并利用其他的DNA序列加以替换。为此，一种被称作Cas9的酶利用一段较短的RNA序列作为向导将这些DNA序列引导到基因组中的正确位点上。

其他的研究人员开发出的这种CRISPR技术的一种变体使用了向导RNA（gRNA）和具有Cas9的一种催化失活形式（dCas9）的CRISPR系统来识别特定的DNA片段，并利用荧光分子加以标记。但是，在高度重复的基因组区域，这种方法表现得最佳，在那里，单个gRNA能够聚集产生通过显微镜观察到的足够光线所必需的临界荧光标记数量。

Guys、作为论文第一作者的研究生Bo Gu和另一名论文共同作者Tomasz Swigut博士设计了一种方法：将由许多不同的gRNA组成的阵列导入细胞中，从而精确地识别独特的非重复性DNA片段并利用多种荧光分子对它们进行标记，这样就能够在显微镜下很容易地可视化观察到它们。

“CARGO解决运送问题”

Wysocka说，“在基因组中，所有最有趣的东西都是作为单一拷贝存在的。一段时间以来，人们一直试图对单个基因组区域进行标记，但是都未取得成功。不过，CARGO解决了运送问题。如今，我们能够利用许多不同的gRNA对想要的任何基因组区域进行标记，因此我们能够清楚地观察到。”她和Gu强调道CARGO技术将对寻求解答关于基因组或基因表达的许多不同问题的研究人员是有用的。

它已让人们关注转录过程。当距离较远的增强子区域与被称作启动子的其他DNA区域靠近时，这种转录过程往往就会启动。

Wysocka说，“我们发现当附近的基因被转录为RNA时，我们研究的任何位点在它的活性状态下的移动速度快了大约4倍。我们提出这种增强的运动或扩散可能会将距离较远的DNA区域聚合在一起，进一步促进转录。”

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