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无需扩增,CRISPR就能在几分钟内检测基因突变!

日期: 2019年03月26日


    

Keck研究所与加州大学伯克利分校的研究人员将CRISPR技术的强大功能与石墨烯的超灵敏度结合起来,创造了一种可在几分钟内检测出特定基因突变的新型手持设备。

 

这种装置被命名为CRISPR-Chip,可用于快速诊断遗传疾病或评估基因编辑技术的准确性。目前这一团队已经使用该装置识别了来自Duchenne肌营养不良症患者的DNA样本中的基因突变。

 

这一研究成果公布在3月25日的Nature Biomedical Engineering杂志上。文章的作者KGI助理教授Kiana Aran表示,“我们研发了第一个利用CRISPR,搜索基因组中存在的潜在突变的新技术。你只需将纯化的DNA样品放在芯片上,让CRISPR进行筛查,就可以在几分钟内得到结果。”

 

现在,不少医院和实验室都会对DNA进行测序,确定潜在的风险和条件基因突变,像23andMe和AncestryDNA这样的公司甚至可以向好奇的消费者提供这些测试。

 

但CRISPR-Chip与大多数形式的基因检测不同(包括最近开发的基于CRISPR的诊断技术),它采用纳米电子技术来检测DNA样本中的基因突变,无需“扩增”或复制感兴趣的DNA片段,也就是PCR过程。这意味着它可以用于野外工作环境中进行基因检测,不用再将样品送到实验室。

 

加州大学伯克利分校生物工程学教授Niren Murthy表示,“CRISPR-Chip的优势在,这是少数几个在床边就能完成的检测之一。最终,你只需要取一个人的细胞,提取DNA并将其与CRISPR-Chip混合,你就可以知道某个DNA序列是否存在。这可能会成为真正的床边DNA检测技术。”

 

绕过瓶颈

 

CRISPR-Cas9系统以其在精确位置切断DNA的能力而闻名,它如一把锋利的剪刀,为研究人员提供了前所未有的基因编辑功能。但是为了使Cas9蛋白准确地切割和粘贴基因,首先必须找到它需要切割的DNA中的确切位点。

 

为了让Cas9找到基因组上的特定位置,科学家必须为它配备一段“导向RNA”,这是一小段RNA,其碱基与感兴趣的DNA序列互补。蛋白质首先要解开双链DNA并扫描找到与导向RNA相匹配的序列,然后锁定。

 

在最新研究中,研究人员采用了一种失活的Cas9蛋白——一种可以在DNA上找到特定位置但不会切割它的Cas9变种,将其连接到由石墨烯制成的晶体管上。当CRISPR复合物在其靶向的DNA上找到位点时,它会与其结合并触发石墨烯的电导率发生变化,从而改变了晶体管的电特性。

 

石墨烯由单个原子碳层构成,具有电敏感性,可以检测全基因组样品中的“命中”序列,无需PCR扩增。

 

“石墨烯的超灵敏度使我们能够检测到CRISPR的DNA筛选活动,”Aran说,“CRISPR带来了选择性,石墨烯晶体管带来了灵敏度,从而我们能够进行无PCR或无扩增检测。”

 

快速诊断

 

为了证明CRISPR-Chip的灵敏度,研究人员使用该装置检测了来自Duchenne肌营养不良症(DMD)患者的血液样本中两种常见基因突变。

 

论文的共同作者Conboy表示,CRISPR-Chip可能是一种特别适用于DMD筛查的装置,因为严重的肌肉萎缩疾病是由大量肌营养不良蛋白基因的突变引起的,这是人类基因组中最长的一种突变,使用基于PCR的基因检测,定位突变价格昂贵且耗时。

 

“现在一般患有DMD的男孩在出现症状之前通常不会接受筛查,之后再进行基因确认,”Conboy说。

 

“使用这种设备,可以在整个肌营养不良蛋白基因中设计导向RNA,然后在几小时内筛选基因的整个序列。还可以筛查父母,甚至新生儿是否存在肌营养不良蛋白突变。如果发现突变,就能在疾病实际发展之前尽早开始治疗,“Conboy说。

 

Murthy说,快速基因检测也可以用来帮助医生为患者制定个性化的治疗计划。例如,遗传变异会导致一些患者对昂贵的血液稀释剂(如Plavix)无法产生应答。

 

“如果你有某些突变,就能非常准确地预测你对某些药物的反应,”Murthy说。

 

最后,因为CRISPR-Chip可以用于监测CRISPR是否与特定DNA序列结合,所以它也可以用于测试基于CRISPR的基因编辑技术的有效性。例如,它可用于验证导向RNA序列的设计是否正确。

 

“将现代纳米电子学与现代生物学相结合,为获取以前无法获得的新生物信息开辟了新的大门”。

 

转载标题:无需扩增,CRISPR就能在几分钟内检测基因突变!

 

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