近日，一種快速檢測寨卡病毒的試紙誕生，它的出現或許能夠降低小頭癥嬰兒的出生率。這種神奇的方法來(lái)自CRISPR技術(shù)。這個(gè)自2013年以來(lái)風(fēng)靡世界的基因編輯技術(shù)正在生物醫學(xué)研究領(lǐng)域引起一場(chǎng)巨變。

　　寨卡病毒肆虐全球，為了對抗它，科學(xué)家一邊積極尋找預防的方法，一邊也在開(kāi)發(fā)快速檢測的方法。近日，一個(gè)由美國哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所合成生物學(xué)家JamesCollins博士領(lǐng)導的國際合作小組開(kāi)發(fā)出一種低成本的基于試紙的快速診斷系統，該系統能夠毒株特異性地檢測寨卡病毒，而且它可能很快被用來(lái)在現場(chǎng)篩查血液、尿液或唾液樣品。相關(guān)研究結果于2016年5月6日在線(xiàn)發(fā)表在Cell期刊上。

　　這種試紙的靈感誕生自2014年埃博拉病毒暴發(fā)期間，JamesCollins團隊發(fā)現埃博拉病毒可以被一種特異性RNA標記。之后，他們又發(fā)現這種特異性RNA不僅能夠標記埃博拉病毒的遺傳特征序列，而且能夠標記包括寨卡病毒、SARS冠狀病毒、麻疹病毒、流感病毒、丙肝病毒和西尼羅河病毒在內的其他RNA病毒的遺傳特征序列。研究人員認為，這種方法有朝一日能夠用于在現場(chǎng)鑒定血液、尿液或唾液樣品中的病毒。

　　這種神奇的方法就是CRISPR/Cas9技術(shù)。為了讓新的試紙可以有效地檢測在血液、尿液和唾液中存在的極低濃度的病毒，Collins團隊設計一種簡(jiǎn)單的模塊化工作流程，由擴增、寨卡病毒檢測和CRISPR/Cas9輔助的毒株鑒別三個(gè)步驟組成。

　　作為一種源自細菌免疫系統的基因編輯機制，CRISPR/Cas9系統可以識別寨卡病毒基因組中特異的核酸序列。“寨卡病毒是一種RNA病毒，該方法通過(guò)RNA的體外反轉錄和擴增得到相同序列的DNA，這些DNA便可以被CRISPR系統識別。”中國科學(xué)院生物物理研究所研究員劉光慧在接受《中國科學(xué)報》記者采訪(fǎng)時(shí)解釋說(shuō)。

　　CRISPR是何方神圣？

　　CRISPR是“規律成簇間隔短回文重復”的英文縮寫(xiě)，來(lái)自細菌體內，肩負著(zhù)細菌免疫的“重任”。它驅逐外來(lái)DNA的過(guò)程并不復雜。首先，CRISPR把病毒DNA的片段整合進(jìn)細菌自己的基因組，然后轉錄出RNA。之后，CRISPRRNA就能通過(guò)互補序列結合病毒基因組，并利用細菌表達CRISPR相關(guān)核酸酶，也就是Cas酶，切割病毒的DNA，阻止病毒完成其功能。在完成了對外來(lái)病毒快速精確打擊后，細菌還可以將整合過(guò)的基因組的序列傳遞給下一代細菌，就像人類(lèi)的遺傳系統，讓下一代免受相同病毒的騷擾。

　　其中，Cas酶起到了至關(guān)重要的作用，為了更好地利用這一技術(shù)工具，不少實(shí)驗室解析了這種酶的精確分子機制，探索其如何靶向作用于DNA的。2014年，來(lái)自美國倫斯伯克利國家實(shí)驗室和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員，解析了這一叫作Cas9的細菌酶在病毒感染過(guò)程中是如何在RNA序列的引導下識別和降解外源DNA，并且實(shí)現了在動(dòng)物和植物細胞中的靶向遺傳修飾。通過(guò)結合單分子成像和大量的生化試驗，該研究小組證實(shí)Cas9的基因組編輯能力是通過(guò)稱(chēng)作為“PAM”的短DNA序列來(lái)實(shí)現的。

　　南方醫科大學(xué)公共衛生與熱帶醫學(xué)學(xué)院副院長(cháng)、教授陳曉光在接受《中國科學(xué)報》記者采訪(fǎng)時(shí)表示，CRISPR/CAS9是2013年以來(lái)風(fēng)靡世界的基因編輯技術(shù)，但將該技術(shù)應用于病原體的檢測，則才見(jiàn)于2016年5月6日在線(xiàn)發(fā)表在Cell期刊上Collins等的研究報道，“因此CRISPR檢測方法是一種全新的、劃時(shí)代的病原檢測新技術(shù)，將對病原檢測/傳染病診斷帶來(lái)革命性的影響”。

　　下一個(gè)諾貝爾獎？

　　從1953年沃森和克里克發(fā)現DNA雙螺旋結構到2000年人類(lèi)基因組計劃完成，人類(lèi)一直處于對基因組的了解和認知階段，而CRISPR技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛普及實(shí)現了從認識基因組到主動(dòng)操控基因組的時(shí)代跨越。

　　可以說(shuō)，CRISPR的發(fā)現將為人類(lèi)提供了認識和實(shí)現病毒免疫的捷徑，而且它正在生物醫學(xué)研究領(lǐng)域引起一場(chǎng)巨變。因為，相比較其他基因編輯手段，CRISPR使用起來(lái)廉價(jià)、迅速且簡(jiǎn)單。早期實(shí)驗室發(fā)現的“鋅指核酸酶”需要花費5000多美元才能訂購到，而且它們很難進(jìn)行基因改造。但是CRISPR卻大不相同：它依靠一種利用引導性RNA分子將其導向目標DNA，隨后被稱(chēng)為Cas9的酶對目標DNA進(jìn)行切割，從而實(shí)現目標基因序列的缺失或插入想要的序列。通常，研究人員需要訂購的只是RNA片段，全部花費只有30美元。

　　“CRISPR系統的優(yōu)勢在于其操作簡(jiǎn)便、低價(jià)高效。CRISPR系統的出現大大降低了基因組編輯的技術(shù)門(mén)檻，為動(dòng)植物的精準基因操作提供了強有力的技術(shù)支持，使得科研界全面進(jìn)入高速高質(zhì)高量的基因編輯時(shí)代。同時(shí)，為開(kāi)發(fā)基于基因編輯的人類(lèi)疾病治療手段提供了無(wú)限可能性。”劉光慧總結道。

　　這讓CRISPR很快席卷全球實(shí)驗室。研究人員希望利用它調整人類(lèi)基因以消除疾病，創(chuàng )造生命力更加頑強的植物，并且消滅病原體。

　　去年，倫敦帝國學(xué)院的研究團隊通過(guò)基因編輯使瘧蚊喪失生育能力，并將這一性狀傳播到群體中。這項發(fā)表的研究論文提到，岡比亞按蚊是撒哈拉以南非洲危險瘧原蟲(chóng)的主要攜帶者。研究人員對岡比亞按蚊進(jìn)行了遺傳改造，讓它們攜帶了一種破壞雌蚊子卵子生成的改造基因?；蝌寗?dòng)讓這個(gè)基因加速傳遞給蚊子后代，進(jìn)而傳播至整個(gè)種群。

　　應用前景亟待開(kāi)發(fā)

　　既然CRISPR可以檢測出寨卡病毒，那么是否可以同理應用到其他病毒呢？“目前Collins等發(fā)明的檢測體系主要針對寨卡病毒，但稍加調整該體系理論上可以用于幾乎所有的RNA病毒，若進(jìn)一步與韓春雨等的發(fā)明相結合，還可能用于DNA病毒的檢測。因此，該檢測體系的應用前景非常廣闊！”陳曉光認為。

　　不過(guò)，劉光慧進(jìn)一步指出：“雖然理論上CRISPR檢測寨卡病毒的方式能夠被復制到其他病毒的檢驗中，但關(guān)鍵是能否從待測病毒基因組中找到專(zhuān)屬特異的核酸序列，從而最大可能地排除非特異識別導致的假陽(yáng)性。”而且，目前Collins研究中所用的病例標本只是一例感染寨卡病毒的猴，真正要從實(shí)驗室走向實(shí)際應用，還需要大量的實(shí)際樣本來(lái)檢驗。“畢竟，實(shí)驗室研究與臨床和現場(chǎng)的檢測還有許多的不同。”陳曉光補充道，“還需要解決的尚有CRISPR/CAS9技術(shù)常見(jiàn)的‘脫靶’效應，如果這個(gè)問(wèn)題得不到妥善解決，應用到人體CRISPR/CAS9就可能在RNA/DNA上亂‘切’，從而造成許多意想不到的‘副作用’。”

　　雖然還有很長(cháng)的路要走，但這更激發(fā)了人類(lèi)對于CRISPR的研究熱情。今年2月，加州大學(xué)昆蟲(chóng)學(xué)專(zhuān)家也曾在NatureReviewGenetics雜志上發(fā)表技術(shù)綜述中提到，近年來(lái)，突飛猛進(jìn)的基因組編輯技術(shù)，特別是CRISPR技術(shù)，大大推動(dòng)了基因驅動(dòng)的發(fā)展速度?；蝌寗?dòng)與CRISPR等工具的結合，可以幫助人們通過(guò)經(jīng)濟環(huán)保的方式減少或消滅蚊媒疾病，去除外來(lái)的入侵物種，逆轉生物的殺蟲(chóng)劑和除草劑抗性。

　　除此之外，“迅猛發(fā)展的CRISPR系統，將會(huì )為未來(lái)的臨床應用提供有力的技術(shù)手段，如利用CRISPR系統構建疾病模型用于靶向藥物的篩選，以及利用該系統對單基因突變所致的遺傳病進(jìn)行突變基因靶向矯正的基因治療等。”劉光慧提到。