CRISPR/Cas系统在核酸检测中的应用和挑战

成簇的规律间隔的短回文重复序列(CRISPR)/CRISPR相关基因(Cas)系统是古菌和细菌适应性免疫系统,最初被发现用来进行基因编辑,近年其特异识别和切割特性以及可编程性使其在核酸和非核酸靶标检测中崭露头角。目前基于CRISPR/Cas系统的核酸检测系统主要与核酸扩增技术如PCR、链置换扩增(SDA)、滚环扩增(RCA)和EXPAR等恒温扩增技术结合,以提高灵敏度;多项研究也在尝试开发基于CRISPR/Cas的无预扩增核酸检测系统;另外也有研究尝试通过生物祖体(包括适体、DNAzymes和抗原-抗体反应)特异性识别靶物质实现非核酸信号转换为核酸信号,实现基于CRISPR/Cas的蛋白质、小分子、细胞等非核酸物质的检测。但仍存在一些挑战,其中目标中痕量原始浓度的信号转换和放大是分析系统的关键挑战;其他挑战包括CRISPR/Cas存在一定背景活性,CRISPR RNA和单链DNA/单链RNA信号报告序列有降解风险等。随着技术的逐渐成熟,CRISPR/Cas系统将在生物靶标检测中发挥更大作用。本文就CRISPR/Cas系统在核酸检测这一领域的最新发展方向作一述评。

CRISPR/Cas系统中工程化gRNA技术的研究和应用

CRISPR/Cas是原核生物在进化过程中获得的一种免疫防御系统,用于抵抗外来遗传物质的入侵,近年来被开发成为高效的基因编辑、基因调控以及分子诊断工具。其可编程靶向机制揭开了利用该系统进行基因组操作的序幕,并允许在活性范围内实现动态调节和控制基因表达。作为现有基因修饰手段中灵活性最强和成本最低的技术之一,已被广泛应用于临床疾病治疗、工农业生产、可持续染料开发和化学品加工等领域。随着对CRISPR/Cas系统的不断深入挖掘和探索,大量研究报道了gRNA工程改造及优化方法,包括改变间隔序列长度、调节恒定区和可变区的结构、向末端或中间延伸添加额外功能序列及化学合成修饰等,以期降低脱靶突变率,提高作用效率,充分激发CRISPR基因操纵工具在生物医学方面的潜力。基于此,本综述将介绍CRISPR/Cas9和CRISPR/Cas12系统中gRNA工程化设计方法及应用研究的最新进展,分析探讨了当前工程化gRNA技术面临的机遇和挑战,旨在为获得性能更加优异的gRNA提供思路和方向,从而提高利用CRISPR/Cas系统探测人类细胞基因组的能力,进一步为可编程生物学带来更多可能性。

基于CRISPR/Cas系统的检测技术在老年感染性疾病常见病原体中的研究进展

老年感染性疾病是全球老年人死亡的主要原因之一。由于老年人免疫力下降,合并慢性基础疾病等因素,导致其感染因素更复杂且临床表现各异。及早、快速和准确地鉴别出老年感染性病原体,对临床精准的抗感染治疗,减少老年病人并发症及降低死亡率有重要意义。传统病原体检测方法存在依赖标本活菌,检测时间长,检测人员准入条件高或依赖昂贵仪器等缺点。随着CRISPR/Cas系统在微生物检测中的应用,基于CRISPR/Cas系统的检测技术在老年感染性疾病病原体应用的优势也日渐突出。CRISPR/Cas系统能高效准确地鉴定出病原体,尤其是对于标本量少、微生物丰度低、采样困难或需要快速床旁检测的老年感染性疾病的辅助诊断具有重要的价值。本文主要对基于CRISPR/Cas系统的检测技术在老年感染性疾病病原体检测方面的研究进展进行综述。

基于CRISPR/Cas系统的纸基分析在快速检测食源性致病菌中的应用

由食源性致病菌引起的食品安全事件严重影响人类健康,开发针对食源性致病菌的快速检测技术十分必要。成簇间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)及相关蛋白(CRISPR-associated protein,Cas)是原核生物的适应性免疫系统,具有特异性识别并切割核酸序列的功能。纸基分析方法作为一种简便性好、成本低廉的分析检测工具,在快速检测领域展现出良好的前景。因此,将CRISPR/Cas系统的高效识别能力和纸基分析方法的简便性相结合可实现对食源性致病菌的快速灵敏检测。本文简要介绍了CRISPR/Cas系统用于核酸检测的概况,对第二类单Cas效应蛋白系统的特点及原理进行概述,重点综述基于CRISPR/Cas系统的试纸分析、侧向流动分析和纸基微流控装置在检测食源性致病菌方面的应用,并讨论了CRISPR/Cas系统结合纸基分析建立检测方法的优势、当前的挑战及未来的发展前景。

基于CRISPR/Cas系统的生物传感器在动物疫病诊断中的应用

动物疫病不仅严重危害动物健康,阻碍养殖业良性发展,而且对人类健康构成潜在威胁。开发灵敏、特异、快速的诊断方法对于疫病防控尤为重要。PCR是目前检测病原体核酸的金标准,但是它存在检测周期较长,需要精密仪器和专业技术人员,无法应用于现场即时检测等局限性。成簇规律间隔短回文重复序列及其相关蛋白(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein,CRISPR/Cas)具有敏感性高、特异性强和操作简便等优点,可为动物疫病诊断提供新的方法和契机。CRISPR-Cas9靶向核酸的特异性和CRISPR-Cas12/Cas13“附属切割”活性使其在核酸检测中显示出巨大的应用前景。本文简述了CRISPR/Cas系统的分类,对3种常用的CRISPR/Cas系统的核酸检测策略进行系统阐述,并对其在动物疫病诊断中应用的最新研究进展进行综述,最后讨论了它的优势、面临的挑战及未来发展方向,以期为动物疫病诊断新方法的开发提供参考。

CRISPR/Cas系统在基因修饰植物及其产品检测应用中的原理和进展

转基因及基因编辑的基因修饰植物发展迅猛,相关的检测技术也面临更多挑战,尤其是对于无外源DNA引入的基因编辑产品,其检测难度更高,传统的检测技术已无法满足。基于CRISPR/Cas检测系统中不同Cas蛋白所具有的附属非特异切割活性被广泛应用于分子检测领域,它与LAMP和RPA等温扩增相结合可实现准确快速的现场检测,甚至是对单核苷酸突变的基因编辑产品识别和检测。但是,该检测系统在植物基因修饰产品检测中的应用才刚刚起步,本文对该检测系统的原理及其在基因修饰的植物及其产品中的应用进行了评述。

CRISPR/Cas系统在微藻基因编辑研究中的进展

微藻是一类在显微镜下才能辨别的微小藻类群体,其结构简单,分布广泛,常见的微藻有蓝藻、螺旋藻、莱茵衣藻、杜氏盐藻等[1]。微藻是一类比陆生作物拥有更高生物量的单细胞光合自养生物,富含蛋白质、脂肪酸、维生素和色素等生物活性物质,在生物燃料、天然产物增产、功能性藻株制备、环境治理、温室效应调节等方面均发挥着重要作用,有着重要的学术研究和开发应用价值[2]。

基于CRISPR/Cas系统的核酸生物传感器

近年来,CRISPR/Cas系统已经成为转录调控和基因组编辑的重要工具。除了在基因编辑领域的贡献,CRISPR/Cas系统独特的靶核酸顺式切割和非特异性单链核酸反式切割能力,在开发核酸检测的新型生物传感器方面展现出巨大潜力。构建基于CRISPR/Cas系统高灵敏度生物传感器的关键通常依赖其与不同信号扩增策略,诸如核酸扩增技术或特定信号转导方法的结合。基于此,本文旨在通过介绍不同类型的CRISPR/Cas系统,全面概述基于该系统的核酸检测生物传感器的研究进展,并重点对结合核酸扩增技术(PCR、LAMP、RCA、RPA和EXPAR)、灵敏的信号转导方法(电化学和表面增强拉曼光谱)和特殊结构设计生物传感的三大类型信号放大策略的CRISPR/Cas生物传感器进行总结和评论。最后,本文对目前的挑战以及未来的前景进行展望。

基于CRISPR/Cas系统的病原核酸检测技术研究进展

作为一种古老的细菌和古菌免疫系统,规律成簇的间隔短回文重复序列及其相关蛋白[clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-associated protein(Cas),CRISPR/Cas]系统现已发展为新兴的热门基因编辑工具,极大地推动了其他多个生物学相关领域的发展。其中,通过结合CRISPR/Cas系统与核酸恒温扩增技术建立了一些新型的高效、灵敏、不依赖仪器设备的检测方法,如DNA内切酶靶向的CRISPR反式报告系统(DNA endonuclease-targeted CRISPR trans-reporter,DETECTR)、特异性高灵敏度的酶报告器系统(specific high-sensitivity enzymatic reporter unlocking,SHERLOCK)等,不但提高了CRISPR/Cas系统在不同应用场景下的检测性能,更进一步激发了其在现场检测中的应用潜力。本文基于近年来被广泛应用的3种CRISPR/Cas系统(CRISPR/Cas9、CRISPR/Cas12a以及CRISPR/Cas13)的生物核酸检测方法,阐述了CRISPR/Cas系统的生物学意义及一般作用原理,并通过回顾以往开展的CRISPR/Cas系统相关的病原检测研究,比较分析了不同检测系统的特点以及在实际应用过程中可能存在的不足,为针对不同病原在不同应用场景下建立更加高效、合理的CRISPR/Cas系统检测方法提供了有益参考。

CRISPR/Cas系统在SARS-CoV-2检测中的应用

新型冠状病毒(SARS-CoV-2)全球流行,快速有效的检测方法对于疫情防控和患者救治极为重要。目前已有多种方法应用于SARS-CoV-2的检测,但均存在一定的局限性。研究发现,采用CRISPR/Cas系统构建的SARS-CoV-2检测方法具有快速、便捷的优势。目前应用于SARS-CoV-2检测的CRISPR/Cas系统主要包括CRISPR/Cas9、CRISPR/Cas12和CRISPR/Cas13,多以SARS-CoV-2的核酸和蛋白质作为检测靶标。因此,该文对基于CRISPR/Cas系统的SARS-CoV-2检测方法分别从核酸和蛋白质2个角度进行综述,并就各自的优缺点及未来发展趋势进行分析,期望为CRISPR/Cas系统在传染病检测中的应用提供参考。

CRISPR/Cas系统对金黄色葡萄球菌耐药及毒力基因的影响

【目的】了解金黄色葡萄球菌(以下简称“金葡菌”)Staphylococcus aureus中成簇的规律间隔短回文重复序列(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)的分布情况,分析其对抗生素耐药基因和毒力基因水平转移的影响。【方法】从公共数据库获取组装完整的金葡菌基因组575个,利用生物信息学方法,统计CRISPR结构的携带情况,菌株多位点序列分型(Multi-locus sequence typing,MLST)型别分布和菌株耐药基因、毒力基因的分布情况;对CRISPR结构阳性(CRISPR+)和CRISPR结构阴性(CRISPR-)的金葡菌耐药基因和毒力基因携带数目进行差异显著性分析。同时对实验室60株金葡菌二代测序数据进行分析,验证公共数据库分析结果。对实验室60株金葡菌中原噬菌体、接合质粒的携带情况进行统计,讨论CRISPR结构对菌株原噬菌体和接合质粒的影响。【结果】基因组组装完整的575株金葡菌中,有62株携带CRISPR结构(CRISPR+),513株不携带CRISPR结构(CRISPR-);CRISPR+金葡球菌携带耐药基因、毒力基因的数目显著小于CRISPR-金葡菌。实验室60株金葡菌中,有14株为CRISPR+,46株为CRISPR-;CRISPR+金葡菌携带更少的耐药基因和毒力基因,与公共数据库分析结果一致。对原噬菌体和接合质粒的分析结果显示,CRISPR-菌株携带更多的原噬菌体序列,与CRISPR+菌株之间差异显著(P<0.05);接合质粒方面,CRISPR-和CRISPR+菌株无显著性差异。【结论】CRISPR结构可能限制了金葡菌中耐药基因和毒力基因的水平转移,CRISPR-菌株更容易受到噬菌体和可移动质粒的干扰。本研究为进一步研究金葡菌耐药基因和毒力基因的传播提供了参考。

基于CRISPR/Cas系统的即时诊断研究进展

面对突发公共卫生事件,快速、准确和便携的现场检测至关重要。基于CRISPR/Cas技术的分子诊断是目前现场检测主要方法,可以与多种信号传感方法相结合,集成到智能设备中,开发多个检测新平台。本文介绍基于CRISPR/Cas系统的传感器发展和现场应用,对CRISPR和现场检测的发展前景进行总结和展望。

基于CRISPR/Cas系统的生物传感器研究进展

聚类规则间隔短回文重复序列(CRISPR)和CRISPR相关酶(Cas)统称为CRISPR/Cas系统,在许多方面彻底改变了生物学和生物医学研究。CRISPR/Cas系统作为识别和操纵核酸的强大分子机器之一,具有极强的信号放大能力和基因编辑能力。近几年,开发了许多基于CRISPR/Cas系统的检测方法用于临床诊断、生物传感和生物成像等领域。通过国内外的研究现状,对CRISPR/Cas系统的几种常见种类及其在生物传感中的应用研究进行概述,为CRISPR/Cas系统在核酸检测以及分子诊断等方面地进一步研究提供了理论基础。

CRISPR/Cas系统的挖掘、改造与功能拓展

规律成簇间隔短回文重复序列及其相关蛋白(CRISPR/Cas)是一种微生物获得性免疫系统,自从证实其可用于基因编辑之后,迅速增强了我们编辑、操纵、注释、检测甚至成像生物体DNA和RNA的能力,为基础生命科学、医学和生物工程等领域的创新发展注入了强劲动力,快速推动了合成生物学等学科的兴盛发展。然而,CRISPR/Cas系统也有一些固有的问题,例如脱靶效应、原间隔序列邻近基序(PAM)对靶目标的约束性以及基因编辑活性的可控性等,严重制约了该系统在基因精准可控编辑等方面的长足发展,阻碍了其新功能和新应用的拓展。为了突破这些限制,“蛋白质工程修饰Cas蛋白”与“基于生物信息学的新型CRISPR/Cas系统的挖掘”就成为完善发展CRISPR/Cas系统以及扩充CRISPR工具箱的两种重要策略。本文主要针对当前应用最为广泛的Ⅱ类CRISPR/Cas系统,重点介绍了CRISPR/Cas9、CRISPR/Cas12a和CRISPR/Cas13a这三种代表性系统的基本结构和作用机制,及其在结构改造和功能拓展等方面的新进展,同时也对一些新近发掘的具有重要特色和潜在应用价值的CRISPR/Cas系统进行了综述,例如CRISPR/CasФ和CRISPR/Cas12k。这些改造和发掘工作显著改善了CRISPR/Cas系统的固有问题,有力地拓展了其功能和适用性,势必会进一步快速推动CRISPR/Cas系统在诸多领域的创新发展。

扩增型和非扩增型CRISPR/Cas系统在食源性致病菌快速检测领域应用的研究进展

食源性致病菌引起的食品安全事件频发已对公众健康和社会经济造成巨大的影响,构建针对其快速、高效的检测方法是保障食品安全的重要手段。成簇的间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)及其相关蛋白(CRISPR-associated protein,Cas)组成的CRISPR/Cas是广泛存在于细菌和古细菌中的一种免疫系统,可以有效地识别并切割外源核酸。因此,可以利用CRISPR/Cas系统这一对外源核酸的识别及切割活性实现对食源性致病菌的快速高效检测。本文详细介绍基于核酸扩增和免核酸扩增的两种CRISPR/Cas系统,综述其在对各种食源性致病菌检测中的应用,讨论它们的优势、局限性以及未来的发展趋势,旨在为建立更高效的食源性致病菌检测方法提供技术参考,以期更有效地减少食源性致病菌造成的食品安全问题。

CRISPR/Cas系统在感染性疾病诊断中的应用进展

感染性疾病对人类与动物的健康会造成重大威胁,尤其是新发和大流行发作的传染病。开发快速、灵敏、特异的诊断方法能有效防控感染性疾病。规律间隔成簇短回文重复序列及其相关蛋白(CRISPR/Cas)系统作为原核生物抵御病毒的获得性免疫系统,近年来已开发成为一种高效的分子诊断工具,其与核酸扩增、荧光标记、侧向横流等技术结合,创建了快速、灵敏、便携的检测系统,在病原体诊断中展现了极佳的发展前景。文章综述了CRISPR/Cas系统的结构、分类、工作原理,重点阐述了CRISPR操作系统在感染性疾病诊断中的应用进展。

CRISPR/Cas系统在斑马鱼中的研究进展

斑马鱼是生物学中十分重要的模式生物,可作为基因功能分析、人类疾病病理学研究和新药研发的有利工具。它具有易于控制操作、与人类进化关系相近的优势,目前已经开发了多种斑马鱼模型用于研究人类相关疾病。聚集的有规则间隔的短回文重复序列及其关联蛋白(the clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPRassociated proteins,CRISPR/Cas)技术的出现,大大降低了斑马鱼基因编辑的复杂性。主要描述了CRISPR/Cas系统的基本原理、技术革新,总结了CRISPR/Cas系统在斑马鱼基因敲除或敲入、活细胞成像、转录调控、多重靶向、建立疾病模型中的重要作用,以期为探究CRISPR/Cas系统在斑马鱼基因组学研究中的应用提供一定思路。

CRISPR/Cas系统在食源性致病菌快速检测新技术中的研究进展

食源性致病菌的早期筛查与快速检测对食品安全和临床诊断至关重要。然而,传统检测方法操作繁琐、费时费力,难以满足快速检测需求。成簇、规则间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)和关联蛋白(CRISPR-associated protein,Cas)组成的CRISPR/Cas是广泛存在于细菌和古细菌中的一种免疫系统,其高效特异序列识别及切割活性的特性,为食源性致病菌高灵敏、快速检测提供了一种新的途径。本文介绍了CRISPR/Cas系统的原理、机制及发展,总结了近年来基于CRISPR/Cas系统结合不同结果报告方式用于食源性致病菌快速检测的最新进展,并对其优势、局限性和未来发展方向进行了讨论。

靶向DNA的Ⅱ类CRISPR/Cas系统的蛋白工程化改造

Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated (Cas) protein是细菌或古细菌特有的一种获得性免疫系统,自从研究人员将其改造为基因编辑工具之后,CRISPR/Cas系统高效的基因编辑能力对生命科学、生物工程、生物医药、食品及农业科学等多个领域引发了革命性的影响。然而,研究者们发现CRISPR/Cas系统存在脱靶效应、PAM位点识别范围有限等问题,限制了CRISPR/Cas的应用。为了解决这些问题,针对Cas蛋白进行工程化改造已经成为了优化及开发CRISPR/Cas系统的重要策略。本文以Ⅱ类CRISPR/Cas系统中靶向DNA的CRISPR/Cas9以及CRISPR/Cas12a为例,聚焦近年来针对Cas9和Cas12a蛋白的优化改造方法及相关进展进行系统阐述总结,包括Cas蛋白的工程化改造提升基因编辑特异性及改变PAM识别能力,以CRISPR/Cas系统作为基因定位工具开发新功能,结合外源蛋白调控CRISPR/Cas系统功能。这些工作开发了系列高特异性、高精度的CRISPR/Cas系统,极大地扩展了CRISPR/Cas系统的功能及适用范围,为CRISPR/Cas系统的多领域应用做出了重要贡献。

利用CRISPR/Cas系统快速高效构建血友病乙小鼠模型

血友病乙是由凝血因子Ⅸ(FactorⅨ,FⅨ)缺乏或功能缺陷导致的出血性疾病,为伴X染色体隐性遗传病。小鼠模型对于血友病乙的研究具有十分重要的意义,而基因组编辑技术又为小鼠模型的构建提供了一种快捷而且高效的途径。本文利用CRISPR/Cas系统,在小鼠FⅨ基因第8外显子上选择靶位点,将Cas9 m RNA和带有靶位点的sg RNA显微注射到C57BL/6品系小鼠的受精卵中,获得基因修饰的小鼠。利用高分辨率熔解曲线分析(High resolution melting,HRM)技术进行精确基因分型,并通过测序验证,在60只小鼠中,总共有51只小鼠的靶位点发生了突变,突变率高达85%,其中雄鼠的突变率为79.5%,雌鼠的突变率为95.2%;未检测到非目标位置的基因编辑脱靶。凝血活性实验显示,突变小鼠的FⅨ活性值(FactorⅨcoagulant activity,FⅨ:C)是非突变小鼠的6.82%,大大低于非突变小鼠,表明突变小鼠的凝血活性缺失。本研究表明,利用CRISPR/Cas系统成功构建了人类血友病乙遗传病小鼠模型。