Shawn
导言
2020年1月份爆发的新型冠状病毒疫情，给全世界的公共卫生医疗体系带来了巨大的挑战。2月14日，麻省理工学院（MIT）的麦戈文脑科学研究所（McGovern Institute for Brain Research）宣布，张锋教授团队利用基于CRISPR的技术，开发了一种检测新冠病毒RNA的方法。并且向全世界公布了诊断COVID-19技术的详细操作流程文档，以帮助世界各国对抗新冠病毒传播。
目前，在临床上用于新冠病毒诊断的核酸检测技术基于实时荧光定量PCR，由于在普通的诊所和社区医院缺乏特定的检测设备，导致疾病检测进展缓慢。而基于CRISPR技术的诊断技术，将检测方法开发成一种POCT产品，无需特定的检测设备，通过类似PH检测试纸的方法就可以判断是否感染了新冠病毒。该方法具有特异的高灵敏度，每微升里仅10-100个病毒拷贝，就可以被检测出来。且步骤简单，只需三步，一小时内就可以完成检测 (Feng Zhang et al., 2020)。
如果这个基于CRISPR技术的诊断产品开发出来，将会成为居家或者社区医院必备的医疗用品。疑似的新冠病人无需到定点医院排队挂号，就能完成初步的诊断，是不是很方便呢？
我们熟知CRISPR技术是一种高效的基因编辑工具，怎么就发展成为了分子诊断技术了呢？针对这个问题，我们一起来捋一捋这个有趣的故事。
01 张锋意外发现Cas13a激活之后切割非特异性RNA
2016年8月在 Science期刊上发表了张锋团队的一篇关于一种新CRISPR核酸酶的文章，C2C2，也就是我们俗称的Cas13a。自张锋团队2013年发表第一篇CRISPR/Cas9哺乳动物细胞基因编辑技术以来，张锋利用自身强大的团队优势，将目前已经测序过的微生物的CRISPR核酸酶基本都研究了个遍。按常理，这个只是张锋团队在CRISPR/Cas9基因编辑技术上的一个扩展，不同的是，Cas13a一种RNA结合酶，可以用于编辑细胞内的RNA。原本以为这个新发现将像Cas9一样受到科学家的欢迎，并将基因编辑快速的推进到一个新的高度。随后张锋团队陷入了巨大的失落之中，因为他们意外发现Cas13a在完成特异性切割RNA之后，能够非特异性的切割任意的单链RNA，这意味着Cas13a将具有强烈的细胞毒性，并不能简单的像Cas9那样作为基因编辑的工具（Abudayyeh et al., 2016）。
Abudayyeh et al., 2016
02 Doudna利用Cas13a切割非特异性RNA的功能发明了基因诊断的技术
就在张锋进行Cas13a的研究的同时，UC-Berkeley大学的Doudna团队也在进行相同的研究。张锋团队的文章在8月份发表后，Doudna在同年的10月Nature的期刊上发表了他们的研究结果。有意思的是，在张锋团队意外发现Cas13a因为非特异性切割RNA而表示无法有效作为基因编辑的无奈的时候，Doudna团队却发现这个特性能够用于核酸的分子检测(East-Seletsky et al., 2016)。
在分子检测的反应体系中，只需要加入一种经过化学修饰的单链RNA作为底物，当Cas13a特异性切割目的RNA之后，就可以切割单链RNA底物。经过修饰的单链RNA在未切断的状态下，不会发出荧光，当Cas13a切断单链RNA后，标记在单链RNA的化学基团发出荧光。这个设计简直酷毙了！科学的魅力就在于一种新的科学发现并不因为人的喜好而失去价值，而在于科学家是否能够发现它的价值。
East-Seletsky et al., 2016
03 SHERLOCK技术的发明
在Doudna团队发表了Cas13a能够用于核酸检测之后，张锋团队并没有因为Doudna利用Cas13a发明了分子诊断的技术而气馁。他们意识到这将会把CRISPR技术的应用从基因编辑推进一个全新的领域——分子诊断。于是，张锋团队加速了Cas13a在核酸检测上的研究，2017年4月份在Science期刊上发表了他们的研究结果，一个基于 CRISPR/Cas13a的分子诊断技术，并且给这个技术取了一个非常酷的名字，SHERLOCK，与福尔摩斯同名(Gootenberg et al., 2017)。
Gootenberg et al., 2017
04 DETECTR技术的发明
在张锋团队基于Cas13a发明了分子诊断的技术之后，Doudna团队并没有因此放弃利用CRISPR技术在核酸检测上研究。2018年2月份，Doudna团队在Science期刊上发表了他们的研究结果，他们发现除Cas13a具有非特异性切割RNA的功能，其实Cas12a与Cas13a具有相似的特性，在特异性的切割目的DNA之后，能够非特异性的切割单链DNA。他们利用这个特性，发明了基于Cas12a的分子诊断技术，也取了一个很酷的名字，DETECTR。原理同Cas13a一样，不过在Cas12a的分子诊断技术中，用于发光的底物不是单链RNA，而是单链DNA (Chen et al., 2018)。
Chen et al., 2018
值得一提的是，在2018年4月Cell Discovery期刊上发表了由中国科学院上海生命科学研究院王金团队开发的基于Cas12a的分子诊断技术，时间上只比Doudna团队晚了2个月发表 (Li et al., 2018)。
Li et al., 2018
05 总结
CRISPR/Cas13a和Cas12a均能用于分子诊断，从技术上看，Cas12a由于底物是ssDNA而具有一定的优势。从产品开发角度看，一个产品最终的性能不仅仅由其中某一个技术的性能决定，而是不同技术组合之后的综合性能。
参考文献
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
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