Nature子刊：開發出可在幾分鐘內檢測基因突變的CRISPR芯片

來源：作者：人氣：-發表時間：2019-04-19 13:23:00【大中小】

在一項新的研究中，來自美國加州大學伯克利分校和克萊蒙特學院聯盟凱克研究所的研究人員將CRISPR與用石墨烯制成的電子晶體管結合在一起，構建出一種可在幾分鐘內檢測出特定基因突變的新型手持設備。這種稱為CRISPR-Chip（CRISPR芯片）的設備可用于快速診斷遺傳疾病或評估基因編輯技術的準確性。他們使用這種設備來鑒定來自杜興氏肌營養不良（DMD）患者的DNA樣品中的基因突變。相關研究結果于2019年3月25日在線發表在Nature Biomedical Engineering期刊上，論文標題為“Detection of unamplified target genes via CRISPR–Cas9 immobilized on a graphene field-effect transistor”。

圖片來自Keck Graduate Institute (KGI)。

論文通訊作者、克萊蒙特學院聯盟凱克研究所助理教授Kiana Aran說道，“我們開發出首個利用CRISPR在基因組中搜索潛在突變的晶體管。僅需將純化的DNA樣品放在這種芯片上，讓CRISPR進行這種搜索，這種石墨烯晶體管可在幾分鐘內報告搜索結果。”

醫生和遺傳學家如今可對DNA進行測序，以確定導致一系列性狀和疾病的基因突變，而且像23andMe和AncestryDNA這樣的公司甚至可以向好奇的消費者提供這類測試。

但是與大多數形式的基因檢測---包括近期開發的基于CRISPR的診斷技術---不同的是， CRISPR-Chip使用納米電子技術來檢測DNA樣本中的基因突變，而無需首先通過一種稱為聚合酶鏈式反應（PCR）的時間和設備密集型過程來對感興趣的DNA片段進行數百萬次“擴增”或著說復制。這意味著它可能用于在醫生辦公室或野外工作環境中進行基因檢測，而無需將樣品送到實驗室。

繞過瓶頸

CRISPR-Cas9系統以它在精確位置剪斷DNA鏈的能力而聞名，就像一把鋒利的剪刀那樣，這為人們提供了前所未有的基因編輯功能。但是為了讓Cas9蛋白準確地切割和粘貼基因，人們首先必須在需要切割的DNA中找到確切的位點。

為了讓Cas9找到基因組上的特定位置，科學家們必須首先為它配備一段“向導RNA（gRNA）”，其中gRNA是一小段RNA，它的堿基與感興趣的DNA序列互補。蛋白Cas9首先解開雙鏈DNA并進行掃描直至找到與gRNA相匹配的序列，然后結合上去。

為了利用CRISPR的基因靶向能力，這些研究人員采用了一種失活的Cas9蛋白：能夠在DNA上找到特定的位點，但不加以切割。他們將它連接到由石墨烯制成的晶體管上。當CRISPR復合物在它靶向的DNA上找到靶位點時，它結合上去并觸發石墨烯的電導率發生變化，這接著改變了這種晶體管的電學特性。這些變化可通過他們的產業合作者開發的一種手持設備進行檢測。

石墨烯由單個原子碳層構成，具有如此好的電敏感性以至于它能夠檢測全基因組樣品中匹配的DNA序列，而無需進行PCR擴增。

Aran說，“石墨烯的超靈敏度使得我們能夠檢測到CRISPR的DNA搜索活性。CRISPR帶來了選擇性，石墨烯晶體管帶來了靈敏度，而且我們能夠將它們結合在一起進行這種無需PCR擴增的檢測。”

Aran希望能夠很快讓這種設備具有多重性，從而允許醫生們立即導入多個gRNA，以便在幾分鐘內同時檢測出許多基因突變。

快速診斷

為了證實CRISPR-Chip的靈敏度，這些研究人員使用這種設備檢測來自杜興氏肌營養不良患者的血液樣本中的兩種常見基因突變。

論文共同作者、美國加州大學伯克利分校生物工程教授Irina Conboy說道，CRISPR-Chip可能是一種特別有用的DMD篩查設備，這是因為這種嚴重的肌肉萎縮疾病可能是由于抗肌萎縮蛋白（dystrophin）編碼基因發生的大量突變引起的。

Conboy說道，“如今作為一種常見做法，患有DMD的男孩通常不會接受篩選，直到我們出現問題，隨后他們進行基因確認。”

Conboy 說道，“通過使用這種數字設備，你可以在整個抗肌萎縮蛋白編碼基因中設計gRNA，然后你能夠在幾小時內僅篩選這個基因的整個序列。你可篩查父母甚至新生兒是否存在抗肌萎縮蛋白突變，然后，如果發現突變，那么治療可能在疾病實際產生之前盡早開始。” Murthy說道，快速基因檢測也可能用來幫助醫生為患者制定個性化的治療計劃。比如，遺傳變異使得一些人對昂貴的血液稀釋劑（如Plavix）不會作出反應。

Murthy說道，“如果你攜帶某些突變或某些DNA序列，那么這將非常準確地預測你對某些藥物的反應。”

Aran說道，“將現代納米電子學與現代生物學相結合，為獲取以前無法獲得的新生物信息開辟了新的大門。”

參考資料：

Reza Hajian et al. https://www.nature.com/articles/s41551-019-0371-x Nature Biomedical Engineering, 2019, doi:10.1038/s41551-019-0371-x.