近日，一種快速檢測寨卡病毒的試紙誕生，它的出現(xiàn)或許能夠降低小頭癥嬰兒的出生率。這種神奇的方法來自CRISPR技術。這個自2013年以來風靡世界的基因編輯技術正在生物醫(yī)學研究領域引起一場巨變。

     寨卡病毒肆虐全球，為了對抗它，科學家一邊積極尋找預防的方法，一邊也在開發(fā)快速檢測的方法。近日，一個由美國哈佛大學維斯生物啟發(fā)工程研究所合成生物學家James Collins博士領導的國際合作小組開發(fā)出一種低成本的基于試紙的快速診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠毒株特異性地檢測寨卡病毒，而且它可能很快被用來在現(xiàn)場篩查血液、尿液或唾液樣品。相關研究結果于2016年5月6日在線發(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，James Collins團隊發(fā)現(xiàn)埃博拉病毒可以被一種特異性RNA標記。之后，他們又發(fā)現(xiàn)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(xiàn)場鑒定血液、尿液或唾液樣品中的病毒。

     這種神奇的方法就是CRISPR/Cas9技術。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步驟組成。

     作為一種源自細菌免疫系統(tǒng)的基因編輯機制，CRISPR/Cas9系統(tǒng)可以識別寨卡病毒基因組中特異的核酸序列?！罢ú《臼且环NRNA病毒，該方法通過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(tǒng)識別。”中國科學院生物物理研究所研究員劉光慧在接受《中國科學報》記者采訪時解釋說。

     CRISPR是何方神圣？

     CRISPR是“規(guī)律成簇間隔短回文重復”的英文縮寫，來自細菌體內，肩負著細菌免疫的“重任”。它驅逐外來DNA的過程并不復雜。

     首先，CRISPR把病毒DNA的片段整合進細菌自己的基因組，然后轉錄出RNA。之后，CRISPR RNA就能通過互補序列結合病毒基因組，并利用細菌表達CRISPR相關核酸酶，也就是Cas酶，切割病毒的DNA，阻止病毒完成其功能。在完成了對外來病毒快速精確打擊后，細菌還可以將整合過的基因組的序列傳遞給下一代細菌，就像人類的遺傳系統(tǒng)，讓下一代免受相同病毒的騷擾。

     其中，Cas酶起到了至關重要的作用，為了更好地利用這一技術工具，不少實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，來自美國倫斯伯克利國家實驗室和加州大學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程中是如何在RNA序列的引導下識別和降解外源DNA，并且實現(xiàn)了在動物和植物細胞中的靶向遺傳修飾。通過結合單分子成像和大量的生化試驗，該研究小組證實Cas9的基因組編輯能力是通過稱作為“PAM”的短DNA序列來實現(xiàn)的。

     南方醫(yī)科大學公共衛(wèi)生與熱帶醫(yī)學學院副院長、教授陳曉光在接受《中國科學報》記者采訪時表示，CRISPR/CAS9是2013年以來風靡世界的基因編輯技術，但將該技術應用于病原體的檢測，則才見于2016年5月6日在線發(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、劃時代的病原檢測新技術，將對病原檢測/傳染病診斷帶來革命性的影響”。

     下一個諾貝爾獎？

     從1953年沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構到2000年人類基因組計劃完成，人類一直處于對基因組的了解和認知階段，而CRISPR技術的快速發(fā)展和廣泛普及實現(xiàn)了從認識基因組到主動操控基因組的時代跨越。

     可以說，CRISPR的發(fā)現(xiàn)將為人類提供了認識和實現(xiàn)病毒免疫的捷徑，而且它正在生物醫(yī)學研究領域引起一場巨變。因為，相比較其他基因編輯手段，CRISPR使用起來廉價、迅速且簡單。早期實驗室發(fā)現(xiàn)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，隨后被稱為Cas9的酶對目標DNA進行切割，從而實現(xiàn)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(tǒng)的優(yōu)勢在于其操作簡便、低價高效。CRISPR系統(tǒng)的出現(xiàn)大大降低了基因組編輯的技術門檻，為動植物的精準基因操作提供了強有力的技術支持，使得科研界全面進入高速高質高量的基因編輯時代。同時，為開發(fā)基于基因編輯的人類疾病治療手段提供了無限可能性。”劉光慧總結道。

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

     去年，倫敦帝國學院的研究團隊通過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的主要攜帶者。研究人員對岡比亞按蚊進行了遺傳改造，讓它們攜帶了一種破壞雌蚊子卵子生成的改造基因?；蝌寗幼屵@個基因加速傳遞給蚊子后代，進而傳播至整個種群。

     應用前景亟待開發(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，劉光慧進一步指出：“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，但關鍵是能否從待測病毒基因組中找到專屬特異的核酸序列，從而最大可能地排除非特異識別導致的假陽性?！倍?，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，真正要從實驗室走向實際應用，還需要大量的實際樣本來檢驗。“畢竟，實驗室研究與臨床和現(xiàn)場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技術常見的‘脫靶’效應，如果這個問題得不到妥善解決，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’。”

     雖然還有很長的路要走，但這更激發(fā)了人類對于CRISPR的研究熱情。今年2月，加州大學昆蟲學專家也曾在Nature Review Genetics雜志上發(fā)表技術綜述中提到，近年來，突飛猛進的基因組編輯技術，特別是CRISPR技術，大大推動了基因驅動的發(fā)展速度?；蝌寗优cCRISPR等工具的結合，可以幫助人們通過經濟環(huán)保的方式減少或消滅蚊媒疾病，去除外來的入侵物種，逆轉生物的殺蟲劑和除草劑抗性。

     除此之外，“迅猛發(fā)展的CRISPR系統(tǒng)，將會為未來的臨床應用提供有力的技術手段，如利用CRISPR系統(tǒng)構建疾病模型用于靶向藥物的篩選，以及利用該系統(tǒng)對單基因突變所致的遺傳病進行突變基因靶向矯正的基因治療等?！眲⒐饣厶岬?。