CRISPR/Cas基因編輯系統(tǒng)中的相關(guān)酶

       CRISPR（clustered regularly interspaced short palindromic repeat）系統(tǒng)是原核生物的獲得性免疫系統(tǒng)，用于抵御外源入侵的病毒或質(zhì)粒。2012 年，來自Ⅱ型CRISPR系統(tǒng)的CRISPR相關(guān)蛋白Cas9被證明可以在體外由簡單設(shè)計(jì)的向?qū)NA（single guide RNA，sgRNA）引導(dǎo)識別并切割含PAM（protospacer adjacent motif）序列的靶標(biāo)雙鏈DNA ；很快Cas9又被成功應(yīng)用于哺乳動物細(xì)胞的基因組編輯。從那時(shí)起，CRISPR技術(shù)在基因組編輯領(lǐng)域受到了高度重視和廣泛應(yīng)用，也連續(xù)多年被Science雜志列為“年度技術(shù)突破”。此外，CRISPR技術(shù)也被用于基因表達(dá)調(diào)控、高通量篩選、表觀遺傳學(xué)工程等領(lǐng)域。

      核酸檢測是病原菌檢測、疾病檢測、用藥指導(dǎo)等領(lǐng)域的重要技術(shù)。雖然，目前已經(jīng)開發(fā)出了許多核酸檢測的方法，但更快速、更廉價(jià)、更特異、更靈敏的技術(shù)仍然是不斷追求的目標(biāo)。CRISPR技術(shù)無疑提供了核酸檢測領(lǐng)域的新的解決方案，特別是基于Cas13和Cas12的反式切割（trans cleavage）或稱附帶切割（collateral cleavage）的活性開發(fā)的檢測技術(shù)被譽(yù)為“下一代分子快速診斷技術(shù)”。

基于Cas9 的檢測系統(tǒng)

      通過將Cas9的特異性切割特征和核酸擴(kuò)增體系結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)針對靶標(biāo)核酸的檢測，從而可實(shí)現(xiàn)SNP（single nucleotide polymorphism）的區(qū)分和病原體表型的分型。目前，有至少3種結(jié)合PCR擴(kuò)增的檢測方法被成功開發(fā)，分別為ctPCR（CRISPR-typing PCR）、CARP（Cas9/sgRNAs-associated reverse PCR）和基于CRISPR/Cas9切割活性的PCR。上述方法都是在PCR擴(kuò)增之前利用Cas9切割*匹配的靶標(biāo)序列，而不切割產(chǎn)生突變的靶標(biāo)序列，從而影響PCR的擴(kuò)增結(jié)果，進(jìn)而區(qū)分諸如高危人乳頭瘤病毒（HPV）亞型HPV16和HPV18或是用來檢測低頻突變。

      對于偏遠(yuǎn)地區(qū)的野外檢測，常常需要無需精確循環(huán)控溫儀器的等溫?cái)U(kuò)增方法。結(jié)合NASBA（nucleic acid sequence based amplifi cation）介導(dǎo)靶標(biāo)序列擴(kuò)增，將Cas9、T7轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)與基于紙質(zhì)載體的等溫toehold生物傳感系統(tǒng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)通過肉眼觀察來檢測寨卡病毒的基因分型。此外，CAS-EXPAR（CRISPR/Cas9 triggered isothermal exponential amplification reaction）和CRISDA（CRISPR-Cas9-triggered nicking endonuclease mediated strand displacement amplifi cation method）方法，都使用了Cas9的切割與等溫?cái)U(kuò)增相結(jié)合的策略，以達(dá)到針對靶標(biāo)序列的單堿基分辨率。

基于反式切割活性的核酸檢測

單鏈RNA反式切割活性的核酸檢測系統(tǒng)

      Cas13a 是RNA引導(dǎo)的RNA切割酶，屬于Ⅵ型CRISPR-Cas 蛋白。在gRNA的引導(dǎo)下，Cas13a 結(jié)合單鏈靶標(biāo)RNA后，除了能將靶標(biāo)RNA切斷之外，還可激發(fā)Cas13a的“反式切割”活性，即Cas13a隨機(jī)切割體系中其他的單鏈RNA分子。基于Cas13a的該原理，研究人員開發(fā)了SHERLOCK（Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing）的檢測系統(tǒng)。具體做法是利用RPA（recombinase polymerase amplification）或者RT-RPA等溫?cái)U(kuò)增系統(tǒng)將目標(biāo)模板擴(kuò)增為包含T7啟動子的DNA模板，然后再利用T7轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)把DNA模板轉(zhuǎn)變?yōu)镃as13a可以直接結(jié)合的RNA靶標(biāo)；同時(shí)在體系中添加一端為熒光發(fā)光基團(tuán)、一端為熒光淬滅基團(tuán)的單鏈RNA報(bào)告分子；在Cas13a結(jié)合靶標(biāo)RNA后即觸發(fā)Cas13a隨機(jī)切割單鏈RNA探針的活性，從而產(chǎn)生游離的熒光發(fā)光基團(tuán)并發(fā)出可檢測的熒光。利用該方法，研究人員靈敏地檢測了各種DNA或RNA靶標(biāo)，包括寨卡病毒、 登革熱病毒、細(xì)菌分離株、抗性基因、人類DNA 基因型和癌癥突變等。之后不久， 第二代SHERLOCKv2 系統(tǒng)被成功開發(fā)，其使用4 種正交的CRISPR-Cas 蛋白來實(shí)現(xiàn)多重靶標(biāo)的檢測。在此基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)野外偏遠(yuǎn)地區(qū)的快速分子檢測，研究人員進(jìn)一步開發(fā)了HUDSON（heating unextracted diagnostic samples to obliterate nucleases）方法來直接對人的體液進(jìn)行快速樣本處理，然后利用SHERLOCK 方法便在不到2h 內(nèi)直接從患者樣本中成功檢測出了登革熱病毒。

單鏈DNA反式切割活性的核酸檢測系統(tǒng)

       除Cas13蛋白外， 來自Ⅴ 型的CRISPR-Cas12a蛋白也被發(fā)現(xiàn)具有反式切割特性；但與Cas13不同，Cas12a靶向DNA模板并反式切割單鏈DNA（singlestranded DNA，ssDNA）利用Cas12a蛋白建立的核酸快速檢測方法的報(bào)導(dǎo)來自一篇2017 年提交的中國；后來，同一研究組在線發(fā)表了兩篇研究論文，詳細(xì)描述了Cas12a的切割特征和基于Cas12a的核酸檢測方法，稱為HOLMES（onehour low-cost multipurpose highly efficient system）。同一時(shí)期，美國一個研究組也發(fā)布了基于Cas12a的、類似的核酸檢測方法，名為DETECTR（DNA endonuclease-targeted CRISPR transreporter）。無論是HOLMES還是DETECTR都展示了非常高效、靈敏和特異的檢測活性，可以用來快速檢測DNA病毒、RNA病毒和人的SNP。

       此外，研究人員還證明了嗜熱的Cas12b 同樣具有反式切割活性，并成功地將其應(yīng)用于核酸檢測， 并命名為HOLMESv2。由于Cas12b 具有廣泛的切割活性溫度，該酶可以和LAMP（loop mediated isothermal amplification）等溫?cái)U(kuò)增系統(tǒng)結(jié)合，從而能夠?qū)崿F(xiàn)一鍋式核酸快速定性和定量檢測。此外，由于用于LAMP擴(kuò)增體系的Bst 3.0酶可利用DNA或RNA模板直接進(jìn)行擴(kuò)增，基于Bst 3.0 酶的HOLMESv2 可極大地簡化RNA的檢測程序，并在無需對RNA模板先行逆轉(zhuǎn)錄操作的情況下，成功實(shí)現(xiàn)在1h 內(nèi)快速檢測RNA病毒的目標(biāo)。