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Nature子刊:开发出可在几分钟内检测基因突变的CRISPR芯片

日期:2019-05-08 22:52:31 来源: 生物谷 点击:

在一项新的研究中,来自美国加州大学伯克利分校和克莱蒙特学院联盟凯克研究所的研究人员将CRISPR与用石墨烯制成的电子晶体管结合在一起,构建出一种可在几分钟内检测出特定基因突变的新型手持设备。这种称为CRISPR-Chip(CRISPR芯片)的设备可用于快速诊断遗传疾病或评估基因编辑技术的准确性。他们使用这种设备来鉴定来自杜兴氏肌营养不良(DMD)患者的DNA样品中的基因突变。相关研究结果于2019年3月25日在线发表在Nature Biomedical Engineering期刊上,论文标题为“Detection of unamplified target genes via CRISPR–Cas9 immobilized on a graphene field-effect transistor”。

图片来自Keck Graduate Institute (KGI)。
论文通讯作者、克莱蒙特学院联盟凯克研究所助理教授Kiana Aran说道,“我们开发出首个利用CRISPR在基因组中搜索潜在突变的晶体管。仅需将纯化的DNA样品放在这种芯片上,让CRISPR进行这种搜索,这种石墨烯晶体管可在几分钟内报告搜索结果。”

医生和遗传学家如今可对DNA进行测序,以确定导致一系列性状和疾病的基因突变,而且像23andMe和AncestryDNA这样的公司甚至可以向好奇的消费者提供这类测试。

但是与大多数形式的基因检测---包括近期开发的基于CRISPR的诊断技术---不同的是, CRISPR-Chip使用纳米电子技术来检测DNA样本中的基因突变,而无需首先通过一种称为聚合酶链式反应(PCR)的时间和设备密集型过程来对感兴趣的DNA片段进行数百万次“扩增”或着说复制。这意味着它可能用于在医生办公室或野外工作环境中进行基因检测,而无需将样品送到实验室。

绕过瓶颈

CRISPR-Cas9系统以它在精确位置剪断DNA链的能力而闻名,就像一把锋利的剪刀那样,这为人们提供了前所未有的基因编辑功能。但是为了让Cas9蛋白准确地切割和粘贴基因,人们首先必须在需要切割的DNA中找到确切的位点。

为了让Cas9找到基因组上的特定位置,科学家们必须首先为它配备一段“向导RNA(gRNA)”,其中gRNA是一小段RNA,它的碱基与感兴趣的DNA序列互补。蛋白Cas9首先解开双链DNA并进行扫描直至找到与gRNA相匹配的序列,然后结合上去。

为了利用CRISPR的基因靶向能力,这些研究人员采用了一种失活的Cas9蛋白:能够在DNA上找到特定的位点,但不加以切割。他们将它连接到由石墨烯制成的晶体管上。当CRISPR复合物在它靶向的DNA上找到靶位点时,它结合上去并触发石墨烯的电导率发生变化,这接着改变了这种晶体管的电学特性。这些变化可通过他们的产业合作者开发的一种手持设备进行检测。

石墨烯由单个原子碳层构成,具有如此好的电敏感性以至于它能够检测全基因组样品中匹配的DNA序列,而无需进行PCR扩增。

Aran说,“石墨烯的超灵敏度使得我们能够检测到CRISPR的DNA搜索活性。CRISPR带来了选择性,石墨烯晶体管带来了灵敏度,而且我们能够将它们结合在一起进行这种无需PCR扩增的检测。”

Aran希望能够很快让这种设备具有多重性,从而允许医生们立即导入多个gRNA,以便在几分钟内同时检测出许多基因突变。

快速诊断

为了证实CRISPR-Chip的灵敏度,这些研究人员使用这种设备检测来自杜兴氏肌营养不良患者的血液样本中的两种常见基因突变。

论文共同作者、美国加州大学伯克利分校生物工程教授Irina Conboy说道,CRISPR-Chip可能是一种特别有用的DMD筛查设备,这是因为这种严重的肌肉萎缩疾病可能是由于抗肌萎缩蛋白(dystrophin)编码基因发生的大量突变引起的。

Conboy说道,“如今作为一种常见做法,患有DMD的男孩通常不会接受筛选,直到我们出现问题,随后他们进行基因确认。”

Conboy 说道,“通过使用这种数字设备,你可以在整个抗肌萎缩蛋白编码基因中设计gRNA,然后你能够在几小时内仅筛选这个基因的整个序列。你可筛查父母甚至新生儿是否存在抗肌萎缩蛋白突变,然后,如果发现突变,那么治疗可能在疾病实际产生之前尽早开始。” Murthy说道,快速基因检测也可能用来帮助医生为患者制定个性化的治疗计划。比如,遗传变异使得一些人对昂贵的血液稀释剂(如Plavix)不会作出反应。

Murthy说道,“如果你携带某些突变或某些DNA序列,那么这将非常准确地预测你对某些药物的反应。”

最后,鉴于CRISPR-Chip可以用于监测CRISPR是否与特定DNA序列结合,因此它也可能用于测试基于CRISPR的基因编辑技术的有效性。Aran说道,比如它可能用于验证gRNA序列的设计是否正确。 

Aran说道,“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。”

参考资料:

Reza Hajian et al. Detection of unamplified target genes via CRISPR–Cas9 immobilized on a graphene field-effect transistor. Nature Biomedical Engineering, 2019, doi:10.1038/s41551-019-0371-x.

(责任编辑:sgx)

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