CRISPR/Cas基因編輯系統中的相關酶

       CRISPR（clustered regularly interspaced short palindromic repeat）系統是原核生物的獲得性免疫系統，用于抵御外源入侵的病毒或質粒。2012 年，來自Ⅱ型CRISPR系統的CRISPR相關蛋白Cas9被證明可以在體外由簡單設計的向導RNA（single guide RNA，sgRNA）引導識別并切割含PAM（protospacer adjacent motif）序列的靶標雙鏈DNA ；很快Cas9又被成功應用于哺乳動物細胞的基因組編輯。從那時起，CRISPR技術在基因組編輯領域受到了高度重視和廣泛應用，也連續多年被Science雜志列為“年度技術突破”。此外，CRISPR技術也被用于基因表達調控、高通量篩選、表觀遺傳學工程等領域。

      核酸檢測是病原菌檢測、疾病檢測、用藥指導等領域的重要技術。雖然，目前已經開發出了許多核酸檢測的方法，但更快速、更廉價、更特異、更靈敏的技術仍然是不斷追求的目標。CRISPR技術無疑提供了核酸檢測領域的新的解決方案，特別是基于Cas13和Cas12的反式切割（trans cleavage）或稱附帶切割（collateral cleavage）的活性開發的檢測技術被譽為“下一代分子快速診斷技術”。

基于Cas9 的檢測系統

      通過將Cas9的特異性切割特征和核酸擴增體系結合，可實現針對靶標核酸的檢測，從而可實現SNP（single nucleotide polymorphism）的區分和病原體表型的分型。目前，有至少3種結合PCR擴增的檢測方法被成功開發，分別為ctPCR（CRISPR-typing PCR）、CARP（Cas9/sgRNAs-associated reverse PCR）和基于CRISPR/Cas9切割活性的PCR。上述方法都是在PCR擴增之前利用Cas9切割*匹配的靶標序列，而不切割產生突變的靶標序列，從而影響PCR的擴增結果，進而區分諸如高危人乳頭瘤病毒（HPV）亞型HPV16和HPV18或是用來檢測低頻突變。

      對于偏遠地區的野外檢測，常常需要無需精確循環控溫儀器的等溫擴增方法。結合NASBA（nucleic acid sequence based amplifi cation）介導靶標序列擴增，將Cas9、T7轉錄系統與基于紙質載體的等溫toehold生物傳感系統相結合，可實現通過肉眼觀察來檢測寨卡病毒的基因分型。此外，CAS-EXPAR（CRISPR/Cas9 triggered isothermal exponential amplification reaction）和CRISDA（CRISPR-Cas9-triggered nicking endonuclease mediated strand displacement amplifi cation method）方法，都使用了Cas9的切割與等溫擴增相結合的策略，以達到針對靶標序列的單堿基分辨率。

基于反式切割活性的核酸檢測

單鏈RNA反式切割活性的核酸檢測系統

      Cas13a 是RNA引導的RNA切割酶，屬于Ⅵ型CRISPR-Cas 蛋白。在gRNA的引導下，Cas13a 結合單鏈靶標RNA后，除了能將靶標RNA切斷之外，還可激發Cas13a的“反式切割”活性，即Cas13a隨機切割體系中其他的單鏈RNA分子。基于Cas13a的該原理，研究人員開發了SHERLOCK（Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing）的檢測系統。具體做法是利用RPA（recombinase polymerase amplification）或者RT-RPA等溫擴增系統將目標模板擴增為包含T7啟動子的DNA模板，然后再利用T7轉錄系統把DNA模板轉變為Cas13a可以直接結合的RNA靶標；同時在體系中添加一端為熒光發光基團、一端為熒光淬滅基團的單鏈RNA報告分子；在Cas13a結合靶標RNA后即觸發Cas13a隨機切割單鏈RNA探針的活性，從而產生游離的熒光發光基團并發出可檢測的熒光。利用該方法，研究人員靈敏地檢測了各種DNA或RNA靶標，包括寨卡病毒、 登革熱病毒、細菌分離株、抗性基因、人類DNA 基因型和癌癥突變等。之后不久， 第二代SHERLOCKv2 系統被成功開發，其使用4 種正交的CRISPR-Cas 蛋白來實現多重靶標的檢測。在此基礎上，為了適應野外偏遠地區的快速分子檢測，研究人員進一步開發了HUDSON（heating unextracted diagnostic samples to obliterate nucleases）方法來直接對人的體液進行快速樣本處理，然后利用SHERLOCK 方法便在不到2h 內直接從患者樣本中成功檢測出了登革熱病毒。

單鏈DNA反式切割活性的核酸檢測系統

       除Cas13蛋白外， 來自Ⅴ 型的CRISPR-Cas12a蛋白也被發現具有反式切割特性；但與Cas13不同，Cas12a靶向DNA模板并反式切割單鏈DNA（singlestranded DNA，ssDNA）利用Cas12a蛋白建立的核酸快速檢測方法的報導來自一篇2017 年提交的中國；后來，同一研究組在線發表了兩篇研究論文，詳細描述了Cas12a的切割特征和基于Cas12a的核酸檢測方法，稱為HOLMES（onehour low-cost multipurpose highly efficient system）。同一時期，美國一個研究組也發布了基于Cas12a的、類似的核酸檢測方法，名為DETECTR（DNA endonuclease-targeted CRISPR transreporter）。無論是HOLMES還是DETECTR都展示了非常高效、靈敏和特異的檢測活性，可以用來快速檢測DNA病毒、RNA病毒和人的SNP。

       此外，研究人員還證明了嗜熱的Cas12b 同樣具有反式切割活性，并成功地將其應用于核酸檢測， 并命名為HOLMESv2。由于Cas12b 具有廣泛的切割活性溫度，該酶可以和LAMP（loop mediated isothermal amplification）等溫擴增系統結合，從而能夠實現一鍋式核酸快速定性和定量檢測。此外，由于用于LAMP擴增體系的Bst 3.0酶可利用DNA或RNA模板直接進行擴增，基于Bst 3.0 酶的HOLMESv2 可極大地簡化RNA的檢測程序，并在無需對RNA模板先行逆轉錄操作的情況下，成功實現在1h 內快速檢測RNA病毒的目標。