CRISPR/Cas12系统于2018年被JenniferDoudna团队挖掘鉴定并在发表于Science杂志。CRISPR/Cas12系统由单一的RuvC结构域在远PAM端介导DNA切割,标签基因为Cas12,有的由单个crRNA介导,如CRISPR/Cas12a;有的由crRNA和tracrRNA共同介导(或融合后的sgRNA单独介导),如CRISPR/Cas12b[1,2]。
CRISPR/Cas12系统的标签基因已有多达11种亚型(Cas12a-k)被鉴定,最近发现的CasX归类为Cas12e、CasY归类为Cas12d、Cas14归类为Cas12f、Casφ归类为Cas12j;其中研究最广泛的是Cas12a、Cas12b以及Cas12f[1]。
●Cas12a
●Cas12b
●Cas12f
Cas12f(又名Cas14a1)是依赖于crRNA和tracrRNA共同介导的(或融合后的sgRNA单独介导的)DNA核酸内切酶,能以PAM依赖的方式特异地剪切靶标dsDNA,使DNA双链断裂并生成黏性末端。与其他Cas12蛋白类似,Cas12f蛋白同样拥有针对ssDNA的反式剪切活性,不受PAM位点的限制,且双链或单链DNA靶标均能激活Cas12f的反式剪切活性。此外,相比于其他的Cas12蛋白,Cas12f蛋白的分子量普遍较小(400-700AA)。
◆CRISPR/Cas12基因编辑原理(以CRISPR/Cas12a为例)
●CRISPR/Cas12a的顺式剪切
●CRISPR/Cas12a的反式剪切
Cas12a/crRNA/DNA靶标三元复合物具有非特异性的ssDNA反式剪切活性。crRNA指导下,Cas12a识别PAM特异性识别和切割dsDNA,Cas12a发挥单链脱氧核糖核酸酶(ssDNase)活性,无差别裂解附近的ssDNA[5]。
CRISPR/Cas12a系统靶向识别剪切和反式剪切示意图[6]
◆基于CRISPR/Cas12核酸检测方法
2018年Doudna团队将恒温扩增技术与CRISPR/Cas12a相结合开发了一种检测系统,即DETECTR,该系统可用于对样本中的微量DNA进行快速、简便的即时检测[6];同年,CellDiscovery杂志发布了HOLMES检测系统,该系统将PCR技术与CRISPR/Cas12相结合,不需要昂贵的试剂和特殊的仪器,效率高,成本低,易于进行核酸检测[7]。
DETECTR、HOLMES、Cas12aVDet检测[10]
◆CRISPR/Cas12结合高灵敏信号转导技术的核酸检测传感器
2020年Xu等人开发了一种基于CRISPR/Cas系统的增强型电化学DNA(E-DNA)传感器[11]。2021年Liu等人开发了一种基于CRISPR/Cas12a的电化学发光生物传感器,利用L-蛋氨酸稳定金纳米团簇作为高效电化学发光(ECL)元件实现电化学发光信号转换。这种生物传感器具有较高的选择性,在不需要核酸扩增的前提下实现了对人体血液样品中HPV-16的检测,整个检测可在70min内完成[12]。同年,Liang等人将CRISPR/Cas12系统表面增强拉曼光谱(SERS)相结合建立了SERS-CRISPR(S-CRISPR)检测平台,无需核酸扩增在30-40min完成SARS-CoV-2鼻咽子标本酸检测,是一种潜在的POCT检测方法[13]。2022年Yin等人设计了一种DNA/RNA嵌合杂交探针,并将其引入到CRISPR-Cas12a/SERS系统,该技术利用DNA/RNA嵌合发夹释放的ssRNA来分解纳米团簇,不需要核酸扩增,具有高选择性和高特异性[14]。
CRISPR/Cas12结合信号转导技术的核酸检测传感器[10]
◆蛋白检测
Dai等首次构建了基于CRISPR/Cas12a的蛋白检测平台,该平台将核酸适配体与靶标蛋白结合后,适配体作为Cas12a的识别底物启动其反式剪切活性,已成功用于转化生长因子β1的检测,且具有良好的灵敏度和特异性。除此之外,Zhao等开发了基于CRISPR/Cas12a的可用于检测蛋白质分析物的检测新平台,可用于临床样本中甲胎蛋白检测[6]。
CRISPR技术的快速发展为外泌体检测提供了新的思路和手段。Li等开发了基于CRISPR/Cas12a的高灵敏鼻咽癌CD109+外泌体检测平台,此外,Zhao等利用带有阻断器的适配体捕获CD63+外泌体,两者结合后适配体构象发生改变而释放阻断器,上清中的游离阻断器可激活Cas12a的反式剪切活性,进而释放荧光信号,从而实现靶标外泌体的检测[6]。Xing等使用抗体包被磁珠捕获外泌体,与适配体结合后经扩增产生可被Cas12a识别切割的长重复片段,然后非特异性切割体系中的荧光探针释放荧光信号,该平台可成功用于临床样本中外泌体表面蛋白nucleolin和程序性死亡配体1的定量检测[6]。
参考文献
[1]YanWX,HunnewellP,AlfonseLE,CarteJM,Keston-SmithE,SothiselvamS,GarrityAJ,ChongS,MakarovaKS,KooninEV,ChengDR,ScottDA.FunctionallydiversetypeVCRISPR-Cassystems.Science.2019Jan4;363(6422):88-91.
[2]韦涛,何滋林,纪庆超,祁艺新,常雯雯,隋宏书.CRISPR/Cas基因编辑系统研究进展[J].生命的化学,2019,39(01):39-45.
[3]王雪亮,胡晓波.CRISPR/Cas12系统在肿瘤检测中的应用[J].临床检验杂志,2023,41(03):225-228.
[4]董换哲,苑宁,张蕴哲etal.跨越式滚环等温扩增技术结合CRISPR/Cas12a定量检测海产品中的副溶血性弧菌[J].食品科学,1-10.
[5]孔康康.基于CRISPR-Cas12a技术的苹果茎沟病毒快速、低成本检测体系的开发与评价[D]:河南农业大学,2021.
[6]王雪亮,胡晓波.CRISPR/Cas12系统在肿瘤检测中的应用[J].临床检验杂志,2023,41(03):225-228.
[7]LiSY,ChengQX,WangJM,etal.CRISPR-Cas12a-assistednucleicaciddetection.CellDiscov,2018,4:20
[8]WangB,WangR,WangD,etal.Cas12aVDet:ACRISPR/Cas12a-basedplatformforrapidandvisualnucleicaciddetection.AnalChem,2019,91(19):12156-12161.
[9]DingX,YinK,LiZ,etal.SensitivequantitativedetectionofSARS-CoV-2inclinicalsamplesusingdigitalwarm-startCRISPRassay.BiosensBioelectron,2021,184:113218
[10]党生,张帅,翟景波.CRISPR/Cas12a系统:核酸检测的多功能工具[J].生物化学与生物物理进展:1-13.
[11]XuW,JinT,DaiY,etalSurpassingthedetectionlimitandaccuracyoftheelectrochemicalDNAsensorthroughtheapplicatior
ofCRISPRCassystems.BiosensBioelectron,2020,155:112100
[12]LiuPF,ZhaoKR,LiuZJ,etal.Cas12a-basedelectrochemiluminescencebiosensorfortargetamplification-freeDNAdetectionBiosensBioelectron,2021,176:112954
[13]LiangJ,TengP,XiaoW,etal.Applicationoftheamplification-freeSERS-basedCRISPR/Cas12aplatformintheidentificationofSARS-CoV-2fromclinicalsamples.JNanobiotechnology,2021,19(1):273
[14]YinB,ZhangQ,XiaX,etal.ACRISPR-Cas12aintegratedSERSnanoplatformwithchimericDNA/RNAhairpinguideforultrasensitivenucleicaciddetection.Theranostics,2022,12(13):5914-5930.