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在一项新的研究中，首次开发出了一种快速而又廉价的高度灵敏的基于CRISPR的诊断工具---SHERLOCK(Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing)。研究人员极大地增强了这种工具的功能，并且开发出一种微型试纸条测试方法，这种测试方法允许用肉眼观察到测试结果，而无需使用昂贵的设备。相关研究结果于2018年2月15日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13, Cas12a, and Csm6”。
图片来自Zhang lab, Broad Institute。
这些研究人员开发出一种简单的试纸条用于显示单个遗传标记的测试结果，就好比于妊娠试验中常见的视觉线索。在将试纸条浸入经过处理的样品中后，就会出现一条线来指示靶分子是否被检测到。
这种新的特征有助于为现场测试(比如在流行病爆发期间)铺平道路。这些研究人员还增加了SHERLOCK的灵敏度，并增加准确地定量确定样品中的靶分子水平和一次测试多种靶分子的能力。总之，这些进展加快SHERLOCK快速和精确地检测样本中的遗传特征(包括病原体和肿瘤DNA)的能力。
正如这项新的研究所描述的那样，这些新的进展建立在这些研究人员开发的SHERLOCK早期版本之上，并且有越来越多的研究领域将CRISPR系统用于基因编辑之外的用途。这项新的研究是由麻省理工学院、哈佛大学和布罗德研究所的研究人员领导的，有潜力对研究和全球公共健康产生变革性的影响。
论文通信作者、布罗德研究所核心成员Feng Zhang 教授说，“SHERLOCK提供一种廉价的、易于使用的和灵敏的诊断方法来检测核酸物质---这能够意味着病毒、肿瘤DNA和很多其他的靶标。如今，对SHERLOCK的改进给我们提供了更多的诊断信息，并且让我们更接近于提供一种在实际应用中进行部署的工具。”
这些研究人员之前展示了SHERLOCK在各种应用中的实用性。在这项新的研究中，他们利用SHERLOCK检测肺癌患者血液样本中的无细胞肿瘤DNA，同时检测人工合成的寨卡病毒和登革热病毒，以及提供其他的展示。
试纸条上的明确结果
论文共同第一作者、Zhang实验室研究生Jonathan Gootenberg说，“这种新的采用了SHERLOCK技术的试纸条测试结果让你观察到你的靶标是否存在于样品中，而无需使用仪器。这让我们更接近于现场诊断。”
这些研究人员设想SHERLOCK具有广泛的用途，这要归功于它在核酸靶标检测方面的多功能性。Zhang补充道，“这种技术展示了它在许多医疗保健应用中的潜力，包括诊断患者体内的感染和检测赋予耐药性或导致癌症的突变，不过它也能够用于工业和农业应用中，在这些应用中，供应链中的监控步骤能够减少浪费和提高安全性。”
基本原理
SHERLOCK取得成功的关键在于一种被称作Cas13的CRISPR相关蛋白，这种蛋白经编程后结合到一段特定的RNA片段上。Cas13的靶标能够是任何基因序列，包括病毒基因组、在细菌中赋予抗生素耐药性的基因或者导致癌症的突变。在某些情况下，一旦Cas13定位到并切割它指定的靶标，这种酶就会超速运转，从而不加区别地切割附近的其他RNA。为了开发出SHERLOCK，这些研究人员将这种“脱靶”活性转化为它的优势，从而设计出这种与DNA和RNA相兼容的系统。
SHERLOCK的诊断潜力依赖于额外的在遭受切割后产生信号的合成RNA链。在Cas13结合到它的初始靶标后，它会切割这种合成RNA，释放出信号分子，从而产生指示它的靶标存在或不存在的测量值。
检测多种靶标
SHERLOCK平台如今能够适用于测试多种靶标。SHERLOCK最初一次只能检测到一种核酸序列，但是如今一次分析能够同时为多达4种不同的靶标提供荧光信号---这意味着需要更少的样品用于诊断中。比如，这种新的SHERLOCK版本能够在单一反应中确定一种样品是否含有寨卡病毒或登革热病毒颗粒，这些病毒颗粒会导致患者出现类似的症状。这种平台利用来自不同细菌种类的Cas13和Cas12a(以前称为Cpf1)酶产生这些额外的信号。
增加的灵敏度
SHERLOCK的第二次迭代也使用了一种额外的CRISPR相关酶(即Csm6)来放大它的检测信号，从而使得这种工具比它的前身具有更高的灵敏度。论文共同第一作者、Zhang实验室的麻省理工学院研究生Omar Abudayyeh解释道，“利用最初的SHERLOCK，我们能够检测到1微升样品中的单个分子，但如今我们能够让这种灵敏度增加100倍。这对检测血液样品中无细胞肿瘤DNA之类的应用是特别重要的，在这些应用中，靶标分子的浓度可能是非常低的。这种新一代的特性有助于让SHERLOCK成为一种更加精确的系统。”
参考资料：
Jonathan S. Gootenberg, Omar O. Abudayyeh, Max J. Kellner et al. Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13, Cas12a, and Csm6. Science, Published online: 15 Feb 2018, doi:10.1126/science.aaq0179
