一種應(yīng)用于核酸超敏檢測的CRISPR-Cas9鏈取代擴(kuò)增技術(shù)

近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士周文華等在CRISPR等溫?cái)U(kuò)增基因檢測技術(shù)領(lǐng)域取得新進(jìn)展。相關(guān)工作“A CRISPR-Cas9-triggered strand displacement amplification method for ultrasensitive DNA detection”（《一種應(yīng)用于核酸超敏檢測的CRISPR-Cas9鏈取代擴(kuò)增技術(shù)》）發(fā)表于國際刊物《自然-通訊》（Nat. Commun. 2018, 9, 5012）。論文共同第一作者是周文華和研究助理胡麗，通訊作者是研究員喻學(xué)鋒。

圖1: 傳統(tǒng)PCR技術(shù)與CRISDA檢測技術(shù)對比

核酸分子檢測已被廣泛應(yīng)用于精準(zhǔn)醫(yī)療、食品安全檢疫、公共安全監(jiān)控等多個(gè)領(lǐng)域。盡管基于PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）的核酸檢測技術(shù)被廣泛用于專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)，但由于該技術(shù)操作復(fù)雜、儀器昂貴、以及涉及多重變溫過程，并不適用于基層檢測和家庭檢測。為了克服PCR技術(shù)的缺點(diǎn)，一類不依賴變溫的檢測技術(shù)，即等溫?cái)U(kuò)增檢測技術(shù)得到廣泛關(guān)注。然而，當(dāng)前等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)在靈敏度、特異性和抗干擾度方面仍各自有著其內(nèi)在缺陷，且成熟的等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)核心專利大多掌握在國外公司手中。因此，迫切需要開發(fā)出一種性能更優(yōu)異，且具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新的核酸等溫?cái)U(kuò)增檢測技術(shù)，以滿足我國在核酸檢測領(lǐng)域日益增長的需求。CRISPR/Cas9作為一種源自原核生物獲得性免疫系統(tǒng)的基因定點(diǎn)編輯技術(shù)，自發(fā)現(xiàn)以來已吸引了大量科研關(guān)注和投資興趣。然而，由于人體的復(fù)雜性和倫理方面的爭議，基于CRISPR技術(shù)的臨床基因治療仍面臨著諸多困難和挑戰(zhàn)。另一方面，由于該技術(shù)操作簡便、靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢，目前已開始在體外核酸分子的檢測領(lǐng)域得到應(yīng)用。但目前以CRISPR技術(shù)為基礎(chǔ)的核酸檢測手段仍依賴傳統(tǒng)的PCR技術(shù)或等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)對靶分子進(jìn)行擴(kuò)增，其創(chuàng)新性和適用范圍仍有待提高。

圖2: 利用CRISDA技術(shù)對aM量級(jí)的靶分子進(jìn)行特異性擴(kuò)增檢測。（a）擴(kuò)增體系設(shè)計(jì)；和（b）利用CRISDA技術(shù)對合成的DNA片段進(jìn)行特異性擴(kuò)增檢測。（c）利用CRISDA技術(shù)對來自人基因組的DNA片段進(jìn)行特異性擴(kuò)增檢測。（d）利用CRISDA技術(shù)對人基因組的特定區(qū)域進(jìn)行特異性擴(kuò)增檢測。

針對這些現(xiàn)狀，喻學(xué)鋒課題組創(chuàng)新性地提出利用CRISPR系統(tǒng)效應(yīng)蛋白Cas9在與靶核酸分子結(jié)合過程中獨(dú)特的構(gòu)象變化，作為鏈取代等溫?cái)U(kuò)增反應(yīng)的開關(guān)，高效啟動(dòng)針對靶核酸分子的指數(shù)倍擴(kuò)增（簡稱CRISDA技術(shù)）。相比于傳統(tǒng)PCR和其他等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)，CRISDA技術(shù)有著諸多獨(dú)特優(yōu)勢。第一，該技術(shù)靈敏度高?；贑RISPR技術(shù)良好的抗干擾性，該技術(shù)可在復(fù)雜背景條件下，對aM（10-18M）濃度的靶核酸分子進(jìn)行高效擴(kuò)增檢測。第二，CRISDA技術(shù)特異性強(qiáng)。通過在機(jī)理上的特殊優(yōu)化，該技術(shù)很好地規(guī)避了在傳統(tǒng)CRISPR基因編輯技術(shù)中普遍存在的脫靶效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對極低濃度的靶核酸分子進(jìn)行單核苷酸多態(tài)性（SNP）檢測。第三，CRISDA技術(shù)普適性極強(qiáng)。在針對不同靶位點(diǎn)的檢測反應(yīng)中，所需的擴(kuò)增引物設(shè)計(jì)簡單、無需優(yōu)化，可迅速實(shí)現(xiàn)對新位點(diǎn)的檢測反應(yīng)體系開發(fā)。除此之外，該技術(shù)檢測過程完全等溫，并且在從室溫到42oC的范圍內(nèi)均保持良好的擴(kuò)增檢測效果，可充分滿足在實(shí)際檢測中對新靶點(diǎn)的檢測需求。目前，課題組已利用該技術(shù)成功檢測出人基因組中乳腺癌相關(guān)的單核苷酸位點(diǎn)突變，并在野生型大豆中成功檢測出萬分之三的轉(zhuǎn)基因大豆。

圖3: 利用CRISDA技術(shù)對aM量級(jí)的靶分子進(jìn)行SNP擴(kuò)增檢測。（a）不同細(xì)胞株基因組中rs3803662位點(diǎn)的測序驗(yàn)證；（b）利用CRISDA技術(shù)對該SNP位點(diǎn)進(jìn)行高靈敏度擴(kuò)增檢測。

同時(shí)，由于CRISDA技術(shù)所具有的獨(dú)特優(yōu)勢和超越傳統(tǒng)PCR技術(shù)的應(yīng)用前景，以該技術(shù)為背景的“基于CRISPR-Cas系統(tǒng)的核酸高敏快速等溫檢測技術(shù)”項(xiàng)目在中科院首屆“率先杯”未來技術(shù)創(chuàng)新大賽中，從數(shù)百個(gè)項(xiàng)目中脫穎而出，獲得最終優(yōu)勝獎(jiǎng)，并已吸引了多家投資機(jī)構(gòu)前來洽談產(chǎn)業(yè)化事宜。目前，課題組正將該技術(shù)應(yīng)用于突發(fā)或新型傳染病的檢測，如新型流感、非洲豬瘟等，并正積極開發(fā)相關(guān)檢測試劑盒。