Shawn
導言
2020年1月份爆發的新型冠狀病毒疫情，給全世界的公共衛生醫療體系帶來了巨大的挑戰。2月14日，麻省理工學院（MIT）的麥戈文腦科學研究所（McGovern Institute for Brain Research）宣佈，張鋒教授團隊利用基於CRISPR的技術，開發了一種檢測新冠病毒RNA的方法。並且向全世界公佈了診斷COVID-19技術的詳細操作流程文檔，以幫助世界各國對抗新冠病毒傳播。
目前，在臨床上用於新冠病毒診斷的核酸檢測技術基於實時熒光定量PCR，由於在普通的診所和社區醫院缺乏特定的檢測設備，導致疾病檢測進展緩慢。而基於CRISPR技術的診斷技術，將檢測方法開發成一種POCT產品，無需特定的檢測設備，通過類似PH檢測試紙的方法就可以判斷是否感染了新冠病毒。該方法具有特異的高靈敏度，每微升裡僅10-100個病毒拷貝，就可以被檢測出來。且步驟簡單，只需三步，一小時內就可以完成檢測 (Feng Zhang et al., 2020)。
如果這個基於CRISPR技術的診斷產品開發出來，將會成為居家或者社區醫院必備的醫療用品。疑似的新冠病人無需到定點醫院排隊掛號，就能完成初步的診斷，是不是很方便呢？
我們熟知CRISPR技術是一種高效的基因編輯工具，怎麼就發展成為了分子診斷技術了呢？針對這個問題，我們一起來捋一捋這個有趣的故事。
01 張鋒意外發現Cas13a激活之後切割非特異性RNA
2016年8月在 Science期刊上發表了張鋒團隊的一篇關於一種新CRISPR核酸酶的文章，C2C2，也就是我們俗稱的Cas13a。自張鋒團隊2013年發表第一篇CRISPR/Cas9哺乳動物細胞基因編輯技術以來，張鋒利用自身強大的團隊優勢，將目前已經測序過的微生物的CRISPR核酸酶基本都研究了個遍。按常理，這個只是張鋒團隊在CRISPR/Cas9基因編輯技術上的一個擴展，不同的是，Cas13a一種RNA結合酶，可以用於編輯細胞內的RNA。原本以為這個新發現將像Cas9一樣受到科學家的歡迎，並將基因編輯快速的推進到一個新的高度。隨後張鋒團隊陷入了巨大的失落之中，因為他們意外發現Cas13a在完成特異性切割RNA之後，能夠非特異性的切割任意的單鏈RNA，這意味著Cas13a將具有強烈的細胞毒性，並不能簡單的像Cas9那樣作為基因編輯的工具（Abudayyeh et al., 2016）。
Abudayyeh et al., 2016
02 Doudna利用Cas13a切割非特異性RNA的功能發明了基因診斷的技術
就在張鋒進行Cas13a的研究的同時，UC-Berkeley大學的Doudna團隊也在進行相同的研究。張鋒團隊的文章在8月份發表後，Doudna在同年的10月Nature的期刊上發表了他們的研究結果。有意思的是，在張鋒團隊意外發現Cas13a因為非特異性切割RNA而表示無法有效作為基因編輯的無奈的時候，Doudna團隊卻發現這個特性能夠用於核酸的分子檢測(East-Seletsky et al., 2016)。
在分子檢測的反應體系中，只需要加入一種經過化學修飾的單鏈RNA作為底物，當Cas13a特異性切割目的RNA之後，就可以切割單鏈RNA底物。經過修飾的單鏈RNA在未切斷的狀態下，不會發出熒光，當Cas13a切斷單鏈RNA後，標記在單鏈RNA的化學基團發出熒光。這個設計簡直酷斃了！科學的魅力就在於一種新的科學發現並不因為人的喜好而失去價值，而在於科學家是否能夠發現它的價值。
East-Seletsky et al., 2016
03 SHERLOCK技術的發明
在Doudna團隊發表了Cas13a能夠用於核酸檢測之後，張鋒團隊並沒有因為Doudna利用Cas13a發明了分子診斷的技術而氣餒。他們意識到這將會把CRISPR技術的應用從基因編輯推進一個全新的領域——分子診斷。於是，張鋒團隊加速了Cas13a在核酸檢測上的研究，2017年4月份在Science期刊上發表了他們的研究結果，一個基於 CRISPR/Cas13a的分子診斷技術，並且給這個技術取了一個非常酷的名字，SHERLOCK，與福爾摩斯同名(Gootenberg et al., 2017)。
Gootenberg et al., 2017
04 DETECTR技術的發明
在張鋒團隊基於Cas13a發明了分子診斷的技術之後，Doudna團隊並沒有因此放棄利用CRISPR技術在核酸檢測上研究。2018年2月份，Doudna團隊在Science期刊上發表了他們的研究結果，他們發現除Cas13a具有非特異性切割RNA的功能，其實Cas12a與Cas13a具有相似的特性，在特異性的切割目的DNA之後，能夠非特異性的切割單鏈DNA。他們利用這個特性，發明了基於Cas12a的分子診斷技術，也取了一個很酷的名字，DETECTR。原理同Cas13a一樣，不過在Cas12a的分子診斷技術中，用於發光的底物不是單鏈RNA，而是單鏈DNA (Chen et al., 2018)。
Chen et al., 2018
值得一提的是，在2018年4月Cell Discovery期刊上發表了由中國科學院上海生命科學研究院王金團隊開發的基於Cas12a的分子診斷技術，時間上只比Doudna團隊晚了2個月發表 (Li et al., 2018)。
Li et al., 2018
05 總結
CRISPR/Cas13a和Cas12a均能用於分子診斷，從技術上看，Cas12a由於底物是ssDNA而具有一定的優勢。從產品開發角度看，一個產品最終的性能不僅僅由其中某一個技術的性能決定，而是不同技術組合之後的綜合性能。
參考文獻
https://www.broadinstitute.org/files/publications/special/COVID-19%20detection%20(updated).pdf
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27256883
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5576363/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5526198/
https://www.nature.com/articles/s41421-018-0028-z
閱讀更多 金斯瑞 的文章
