原标题:Science：开发出基于CRISPR-Cas12a的技术检测病毒DNA

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一种强大的基因组编辑工具能够作为一种王牌DNA侦探进行部署，能够嗅出指示病毒感染、癌症或者甚至缺陷性基因存在的DNA片段。

图片来自HHMI。

这种基因侦探是由加州大学伯克利分校的霍华德休斯医学研究所研究员Jennifer Doudna实验室开发的，它是基于一种被称作CRISPR的基因组切割系统开发的。通过将CRISPR的功能与分子信号枪相结合，Doudna和她的同事们开发出一种简单的方法，该方法可能导致快速而又可靠的医学测试。

Doudna说，这种被称作DETECTR（DNA Endonuclease Targeted CRISPR Trans Reporter）的新方法“能够实现灵敏而又准确的DNA检测”，并且能够在人类样品中发现两种致癌性的人类乳头状瘤病毒（HPV）。2017年11月，她和她的同事们首先在bioRxiv.org上发布了这项研究的预印本（doi:10.1101/226993）；相关研究也于2018年2月15日在线发表在Science期刊上，论文标题为“CRISPR-Cas12a target binding unleashes indiscriminate single-stranded DNase activity”。

DETECTR是基于CRISPR系统开发的。CRISPR是一种细菌防御系统，能够切割和消除病毒和其他的威胁。自从发现以来，CRISPR一直被渴望有选择地切割和修复基因组的科学家们使用。在这项新的研究中，Doudna和她的同事们证实CRISPR也能够以另一种方式加以使用---就像一种DNA归航信标（homing beacon）一样。

DETECTR依赖于2015年描述的一种酶---Cas12a。与2012年Doudna和她的同事Emmanuelle Charpentier让Cas9成为一种基因组编辑工具一样，Cas12a也剪切DNA。但是，Cas12a并不仅仅切割它结合的DNA链，也剪切其他的DNA。”论文共同作者、Doudna实验室研究生Lucas Harrington说，“我们观察到Cas12a的这种令人吃惊的活性，它将开始随机地进行切割。”

这些研究人员观察到在某些情况下，Cas12a会变成一种DNA切碎机，将附近的任何单链DNA进行切割。但这不是滥杀滥伤。为了开始砍刀行动，Cas12a首先必须找到一个精确的DNA靶标。人们能够通过添加一个告诉Cas12a寻找什么的向导RNA分子来对这个靶标进行编程。Harrington说，“通过重新编程来发现你想要检测的任何DNA片段是非常简单的。”

一旦Cas12a锁定它的靶标并进行切割，它就会开始撕碎它能够发现的所有单链DNA。但是为了让这种系统变得有用，Doudna和她的同事们需要一种方法来观察Cas12a何时开始这种分子残杀，从而指示它已找到它的靶标。因此，这些研究人员使用了一种发光分子（一种易于发现的荧光分子），并且这种发光分子通过一种单链DNA与一种阻止这种发光分子发光的抑制分子连接在一起。当Cas12a开始砍刀行动时，它切割将这种发光分子和这种抑制分子连接在一起的单链DNA。这就移除了这种抑制分子，让这种发光分子发光---一种研究人员能够检测到的信号。

Doudna团队随后利用他们的DNA侦探进行测试。通过与加州大学旧金山分校的Joel Palefsky博士及其团队合作，他们寻找来自两种致癌性HPV---HPV16和HPV18---的DNA信号。这些研究人员获得了25份来自未感染上HPV、感染这两种致癌性HPV中的一种和同时感染上这两种致癌性HPV的人的DNA样品。对HPV16而言，DETECTR对这所有的25份样本都作出了正确的判断。对HPV18而言，DETECTR正确地判断了这25份样品中的23份。Doudna说，它错过的样品信号比较弱，可能能够通过设计不同的向导RNA加以改进。

Harrington说，与当前的HPV检测方法相比，DETECTR“更简单，更快速，而且不需要专门的设备”。这可能让该系统用于资源有限的健康中心和即时诊断。

根据美国疾病控制预防中心（CDC）的估计，大约有7900万美国人携带着HPV，每年有超过4000名妇女死于宫颈癌。根据世界卫生组织（WHO）的统计，HPV16和HPV18导致70％的宫颈癌和癌前病变。

Harrington说，Doudna团队开发的方法可能很容易地用于检测其他类型的病毒或细菌感染，甚至是癌症标志物，染色体异常或其他的遗传信号。更一般地说，这些研究结果凸显了基础生物学的前景。对古老的细菌防御系统的基础研究会产生新的惊喜和新的潜在用途。Harrington说，CRISPR“是我们不断挖掘和发现新事物的宝库”。