在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校和克萊蒙特學(xué)院聯(lián)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(jié)合在一起，構(gòu)建出一種可在幾分鐘內(nèi)檢測(cè)出特定基因突變的新型手持設(shè)備。這種稱為CRISPR-Chip（CRISPR芯片）的設(shè)備可用于快速診斷遺傳疾病或評(píng)估基因編輯技術(shù)的準(zhǔn)確性。他們使用這種設(shè)備來(lái)鑒定來(lái)自杜興氏肌營(yíng)養(yǎng)不良（DMD）患者的DNA樣品中的基因突變。相關(guān)研究結(jié)果于2019年3月25日在線發(fā)表在Nature Biomedical Engineering期刊上，論文標(biāo)題為“Detection of unamplified target genes via CRISPR–Cas9 immobilized on a graphene field-effect transistor”。

圖片來(lái)自Keck Graduate Institute (KGI)。

論文通訊作者、克萊蒙特學(xué)院聯(lián)盟凱克研究所助理教授Kiana Aran說(shuō)道，“我們開(kāi)發(fā)出首個(gè)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(jìn)行這種搜索，這種石墨烯晶體管可在幾分鐘內(nèi)報(bào)告搜索結(jié)果。”

醫(yī)生和遺傳學(xué)家如今可對(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序，以確定導(dǎo)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(fèi)者提供這類測(cè)試。

但是與大多數(shù)形式的基因檢測(cè)---包括近期開(kāi)發(fā)的基于CRISPR的診斷技術(shù)---不同的是， CRISPR-Chip使用納米電子技術(shù)來(lái)檢測(cè)DNA樣本中的基因突變，而無(wú)需首先通過(guò)一種稱為聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）的時(shí)間和設(shè)備密集型過(guò)程來(lái)對(duì)感興趣的DNA片段進(jìn)行數(shù)百萬(wàn)次“擴(kuò)增”或著說(shuō)復(fù)制。這意味著它可能用于在醫(yī)生辦公室或野外工作環(huán)境中進(jìn)行基因檢測(cè)，而無(wú)需將樣品送到實(shí)驗(yàn)室。

繞過(guò)瓶頸

CRISPR-Cas9系統(tǒng)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(zhǔn)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(diǎn)。

為了讓Cas9找到基因組上的特定位置，科學(xué)家們必須首先為它配備一段“向?qū)NA（gRNA）”，其中g(shù)RNA是一小段RNA，它的堿基與感興趣的DNA序列互補(bǔ)。蛋白Cas9首先解開(kāi)雙鏈DNA并進(jìn)行掃描直至找到與gRNA相匹配的序列，然后結(jié)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(diǎn)，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(dāng)CRISPR復(fù)合物在它靶向的DNA上找到靶位點(diǎn)時(shí)，它結(jié)合上去并觸發(fā)石墨烯的電導(dǎo)率發(fā)生變化，這接著改變了這種晶體管的電學(xué)特性。這些變化可通過(guò)他們的產(chǎn)業(yè)合作者開(kāi)發(fā)的一種手持設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。

石墨烯由單個(gè)原子碳層構(gòu)成，具有如此好的電敏感性以至于它能夠檢測(cè)全基因組樣品中匹配的DNA序列，而無(wú)需進(jìn)行PCR擴(kuò)增。

Aran說(shuō)，“石墨烯的超靈敏度使得我們能夠檢測(cè)到CRISPR的DNA搜索活性。CRISPR帶來(lái)了選擇性，石墨烯晶體管帶來(lái)了靈敏度，而且我們能夠?qū)⑺鼈兘Y(jié)合在一起進(jìn)行這種無(wú)需PCR擴(kuò)增的檢測(cè)。”

Aran希望能夠很快讓這種設(shè)備具有多重性，從而允許醫(yī)生們立即導(dǎo)入多個(gè)gRNA，以便在幾分鐘內(nèi)同時(shí)檢測(cè)出許多基因突變。

快速診斷

為了證實(shí)CRISPR-Chip的靈敏度，這些研究人員使用這種設(shè)備檢測(cè)來(lái)自杜興氏肌營(yíng)養(yǎng)不良患者的血液樣本中的兩種常見(jiàn)基因突變。

論文共同作者、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校生物工程教授Irina Conboy說(shuō)道，CRISPR-Chip可能是一種特別有用的DMD篩查設(shè)備，這是因?yàn)檫@種嚴(yán)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(fā)生的大量突變引起的。

Conboy說(shuō)道，“如今作為一種常見(jiàn)做法，患有DMD的男孩通常不會(huì)接受篩選，直到我們出現(xiàn)問(wèn)題，隨后他們進(jìn)行基因確認(rèn)。”

Conboy 說(shuō)道，“通過(guò)使用這種數(shù)字設(shè)備，你可以在整個(gè)抗肌萎縮蛋白編碼基因中設(shè)計(jì)gRNA，然后你能夠在幾小時(shí)內(nèi)僅篩選這個(gè)基因的整個(gè)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(fā)現(xiàn)突變，那么治療可能在疾病實(shí)際產(chǎn)生之前盡早開(kāi)始。” Murthy說(shuō)道，快速基因檢測(cè)也可能用來(lái)幫助醫(yī)生為患者制定個(gè)性化的治療計(jì)劃。比如，遺傳變異使得一些人對(duì)昂貴的血液稀釋劑（如Plavix）不會(huì)作出反應(yīng)。

Murthy說(shuō)道，“如果你攜帶某些突變或某些DNA序列，那么這將非常準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)你對(duì)某些藥物的反應(yīng)。”

最后，鑒于CRISPR-Chip可以用于監(jiān)測(cè)CRISPR是否與特定DNA序列結(jié)合，因此它也可能用于測(cè)試基于CRISPR的基因編輯技術(shù)的有效性。Aran說(shuō)道，比如它可能用于驗(yàn)證gRNA序列的設(shè)計(jì)是否正確。

Aran說(shuō)道，“將現(xiàn)代納米電子學(xué)與現(xiàn)代生物學(xué)相結(jié)合，為獲取以前無(wú)法獲得的新生物信息開(kāi)辟了新的大門(mén)。”

參考資料：

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.