不仅仅是基因编辑——CRISPR工具包扩展出三个新技能

发布时间：18年04月18日

编译凌寒

　　近期发表在《科学》杂志的三项研究中，全球领先的CRISPR实验室在这项技术上展示了一些极具创造性的新发现，将这位编辑高手变成了一名病毒侦探，抑或是一位目光敏锐的历史学家，将细胞的整个历史寥寥几笔记录在DNA中。

　　与CRISPR一样，这些新技术也被冠以可爱的缩略词，例如“照相机”（CAMERA）、“探测器”（DETECTR）和“神探夏洛克”（SHERLOCK）。CRISPR的“创意性用途”突然爆发式涌现清楚地表明，科学家还远未完成这项技术所能提供的所有潜在应用的开发。

　　为了让CRISPR变成一个真正的多用型工具，研究团队充分发挥创造性：“照相机”，即细胞记录器，使用DNA环作为细胞历史――比方说暴露在抗生素或毒素中――的指示读数。

　　相比之下，“神探夏洛克”则引入了“牺牲型”RNA分子，这些RNA分子在有病毒或癌症DNA的情况下被切碎，从而产生阳性信号。这就好比记录纸带上显示的蓝线，就像怀孕测试一样的。

　　“（它）强调了人们利用CRISPR技术中的发现来构建这些合成途径的真正创造性的方式。”戴夫·萨维奇（Dave Savage）博士说道。他是加州大学伯克利分校的一名蛋白质工程师，他并未参与这项研究。

细胞记录器

　　在航行出现问题时，飞机黑匣子是调查人员的宝贵资源。同样地，科学家一直以来都希望能有一种细胞时间机器来详细描述细胞生命中发生的事件――辐射剂量，微量药物用量，或者是将健康细胞推向患病状态的内部混乱。

　　除了DNA之外，还有什么更好的记录细胞历史的方法呢？

　　在哈佛大学，刘如谦（David Liu）博士利用CRISPR能够精确切割DNA片段的能力，开发了一种“分子历史学家”，称为“照相机”（CAMERA）――CRISPR-介导的模拟多事件录音设备（一口气读下来！）的简称。

　　以下是它的工作原理。首先，在细菌细胞中，研究小组对CRISPR的向导分子――“向导”RNA――进行了微调，使其只有在触发后才被激活生效：比方说，在被抗生素或其他化学物质攻击后。一旦被激活，向导RNA就会将Cas9――即CRISPR剪刀――募集至靶位点。没有向导RNA，就不会发生切割行动。

　　除了将CRISPR系统进行了改进外，该团队还为细胞提供了两个额外的DNA小片段，这两段DNA小片段被整编为环状DNA，称作“质粒”。正常情况下，细胞以稳定的比率表达这两个质粒。但是一旦向导RNA被激活，它（和Cas9）仅会追踪其中一个质粒，并将其切碎，而另一个则完好无损。

　　通过这种方式，团队可以很容易地测量出两个质粒的比例。使用这个系统，研究小组就能够检测出一个细胞是否用四环素这种常见抗生素处理过。

　　但是第一个系统只能在细菌细胞中工作。刘如谦和他的团队进一步开发了二代“照相机”，二代“照相机”使用了修饰后的Cas9。这些剪刀不再切割目标基因，而是找到特定的DNA字母，并将其换成另一个。

　　和上一个系统一样，这个系统仅仅可被细胞对某些信号的应答所触发，例如药物、营养、光线，甚至是细胞中与癌症相关的信号分子。该记录器不仅能记录信号的存在；通过读取交换DNA字母的比例，研究小组同样能够确定信号持续的时间和强度。

CRISPR，基因编辑界的超级英雄，新近又获得了一些超能力

　　而与上一代细胞记录器不同的是，刘的系统具有高灵敏度，只需要12个细胞就能产生强烈的信号。时间回到2014年，麻省理工学院的蒂莫西·卢（Timothy Lu）博士开发了一种名为“抄写员”（SCRIBE）的类似的记录仪，它要求更高“数量级”的细胞，而其信噪比却低得多。

　　“照相机”也有其他引以为豪的有用功能。例如，它可以同时记录多个信号。获得的这些数据也可以通过能将质粒比恢复到基线的药物来清除掉。

　　卢对此印象深刻。他表示，这项新工作完成得“非常漂亮”并且是一项“重要的进步”。尽管任何医学应用都有很长一段路要走，但该系统可以帮助检测环境污染物，或者帮助科学家追踪将干细胞转化为神经元、肌肉或其他细胞类型的各种分子信号。

病毒猎手

　　另外两项研究探讨了将CRISPR转变为灵敏的一步法诊断工具的方法。

　　“探测器”利用了Cas9那个不太出名的堂兄弟――Cas12。

　　和Cas9一样，Cas12也能跟随一个向导RNA靶向目标，然后将其切除。

　　但是剪刀并不会就此罢手。一个由加州大学伯克利分校的CRISPR先驱詹妮弗·杜德纳（Jennifer Doudna）博士领导的研究小组惊奇地发现，在切除预期靶标后，Cas12仍然保持活性――它会立即追踪单链DNA分子并将其破坏。

　　利用这种特殊的活性，研究小组在他们的向导RNA上加入了分子荧光标记，一旦Cas12被激活，荧光标记就会发出明亮的绿色荧光。

　　在概念验证试验中，他们设计了几种可以与人类乳头瘤病毒（HPV）的不同病毒株相结合的向导RNA，而这些病毒株中有几种会导致宫颈癌。该“探测器”系统能够在不同病毒株混合液中识别出两种特别危险的HPV病毒株。

　　“这种蛋白质是一种强大的工具，可以检测多种来源的DNA，”研究报告的作者珍妮·?陈（Janice Chen）说道，“我们想要推进这项技术的极限，它可能适用于任何涉及DNA成分的即时诊断情景，包括癌症和传染性疾病。”

　　缺点呢？Cas12的过分热情可能会限制其在治疗人类遗传疾病方面的应用。CRISPR创业公司爱迪塔斯已经授权批准Cas12进行进一步开发，这一发现可能会给他们的雄心壮志浇上一盆冷水。

　　话虽如此，把Cas12逐出基因编辑治疗队伍还为时尚早。当人类的DNA解旋成为单链DNA（这正好是Cas12靶标）时，这种酶主要与基因组DNA结合。这就限制了它在细胞中四处游荡寻找潜在单链靶标的能力，博德研究所的张锋博士解释道。他也在最近公布了一项基于CRISPR的病毒检测系统，名为“神探夏洛克”。