在家里检测新冠病毒

惠玲先生毕业于原中国人民解放军第一军医大学，新加坡国立大学药学博士，MD安德森癌症中心博士后。他曾是MD安德森癌症中心大学的助理教授，目前是波士顿诺华制药公司生物医学研究所的首席科学家。他最近开始写一些与新皇冠病毒相关的科普文章，并授权在我的微信公众地址上发表。请更频繁地转发它们。

严锋

新冠状病毒的概况

5月6日，美国食品和药物管理局(FDA)批准了夏洛克生物科学公司开发的新冠状病毒CRISPR检测试剂盒的紧急许可。尽管这只是美国最近批准紧急使用的60多种新冠状病毒测试中的一种，但这种批准引起了广泛关注。因为这种测试方法使用了最流行的基因编辑CRISPR技术，它是美国食品和药物管理局批准的第一个CRISPR应用，标志着CRISPR从研发到临床应用的突破。

噬菌体病毒侵入细菌

什么是CRISPR？CRISPR是英文缩写，意思是指细菌中一串特有的DNA序列。像所有生物一样，细菌有天敌，并且经常受到病毒的骚扰，特别是一种叫做噬菌体的病毒，它看起来很奇怪，像外星人。噬菌体病毒以类似蚊子叮咬的过程侵入细菌。不同的是，它不吸血，而是把它的遗传物质注入细菌。病毒DNA可以整合到细菌DNA中，通过细菌细胞工具复制和组装，组装好的子病毒通过裂解细菌释放出来。细菌是没有免疫细胞的单细胞生物。他们如何抵抗病毒的入侵？CRISPR是一种由细菌进化而来的抵抗病毒入侵的免疫机制。简而言之，当病毒入侵时，细菌会将入侵病毒的DNA序列片段复制到细菌的CRISPR DNA序列中，从而产生病毒的“记忆”。当病毒再次入侵时，细菌的CRISPR DNA“记忆”信息和其他固定序列信息被转录成引导核糖核酸。导向核糖核酸与一种叫做Cas9的蛋白质结合，形成一种神奇的蛋白质——核糖核酸复合物:导向核糖核酸负责在脱氧核糖核酸上发现相同的序列，并将复合物带到一个特定的脱氧核糖核酸位置。Cas9负责在特定位置“切割”DNA，从而使病毒失活。在这个有趣的系统中，核糖核酸是寻找目标的“向导”，而蛋白质Cas9是切断脱氧核糖核酸的剪刀，两者缺一不可。

CRISPR切割脱氧核糖核酸

生命的奥秘写在ACGT独特的由这四个碱基组成的DNA序列中。人类的DNA基因组包含30亿个碱基对，这些碱基对被包裹和扭曲在小的细胞核中。尽管人类基因组序列已经被解码，但要从30亿个碱基序列中准确地编辑特定的位置仍然是一个巨大的挑战。细菌中这种简单高效的定向DNA编辑功能给科学界带来了巨大的启示！虽然人体没有类似的CRISPR编辑系统，但利用细菌产生的Cas9蛋白和人工合成的导向核糖核酸可以形成精确的基因编辑工具。通过改变导向核糖核酸的碱基序列，CRISPR的脱氧核糖核酸编辑位点可以相应地改变。CRISPR切割的DNA将通过身体的修复机制在编辑位点形成不同的碱基序列，从而改变基因的活性和功能。这种简单高效的基因编辑工具很快受到广泛关注，CRISPR的编辑效率和准确性也因大量的研究和开发而不断提高。

切割后核糖核酸报告分子的荧光

读者可能会问，基因编辑技术不是用来改变与治疗相关的DNA序列吗？如何用它来检测新的冠状病毒？是的，CRISPR在许多生物医学领域的研发都是针对治疗的，例如镰状细胞性贫血的基因编辑疗法，目前正处于临床试验阶段。这种新的冠状病毒是用另一种基因编辑技术检测出来的。如前所述，核糖核酸只是一个向导，而蛋白质外壳9是切断脱氧核糖核酸的剪刀。细菌不仅有Cas9，还有各种其他数量的Cas蛋白。与“切割”DNA的Cas9不同，Cas13“切割”核糖核酸。Cas13还有一个疯狂的特点，那就是在“切割”目标核糖核酸之后，顺便切割其他非目标核糖核酸(技术上称为旁切)。换句话说，一旦它达到目标，它会不加区别地切断反应系统中的所有核糖核酸。如何检测Cas13是否成功进行了核糖核酸切割？如果在反应体系中加入带有荧光标记的特殊合成的核糖核酸报告分子，被切割的报告分子将发出特征荧光，因此反应体系中的切割状态可以通过荧光分析仪来区分。

谢洛克生物科学公司的新冠状病毒CRISPR检测试剂盒使用Cas13。该公司由麻省理工学院的中国科学家张峰与其他人合作创建，以虚构的侦探夏洛克·福尔摩斯命名，旨在从线索中寻找病毒存在的证据。

新冠病毒是一种单链核糖核酸病毒，有3万个碱基。研究人员设计了两种引导核糖核酸来鉴定新冠状病毒的特征，它们与Cas13蛋白结合形成一个CRISPR系统，能够检测新冠状病毒核糖核酸的存在与否。它不包括从鼻腔、口腔、咽喉拭子或肺液中提取核糖核酸的程序。该试剂盒的检测过程约为一小时，包括两个步骤。第一步是将提取的核糖核酸反转录成脱氧核糖核酸，并对脱氧核糖核酸进行等温扩增(与常规的聚合酶链反应扩增方法相比，等温扩增方法不需要特殊仪器，可以缩短反应时间)。该反应需要在61℃下进行，需要40分钟。第二步是将扩增的DNA转录成核糖核酸，看是否能激活Cas13反应系统的附带切割效应，并用荧光平板分析仪定量报道分子切割产生的荧光。第二步反应需要在37℃下进行，需要10分钟。为什么把核糖核酸变成脱氧核糖核酸，然后又变成核糖核酸？这主要是因为受试验品的限制，用于扩增的酶只能作用于DNA，而Cas13只能切割核糖核酸。夏洛克生物科学公司首席执行官说，在美国食品和药物管理局的批准过程中，进行了2000多次测试，试剂盒的灵敏度和特异性达到100%。然而，这种高准确率仍然需要进一步的临床验证。

正在开发的试卷测试方法

目前，这种新的皇冠试剂盒只能在经过认证的实验室中使用，这限制了该测试产品的应用范围。该公司的首席执行官说，该团队正在开发一种类似于妊娠试纸的试剂盒，可以直接在家里使用。根据张峰在5月中旬举行的美国基因和细胞治疗学会年会上的披露，这种新的检测盒能够使所有化学反应在相同的温度下进行，大大缩短了检测时间，消除了对荧光检测器等特殊仪器的需求，高效、方便，并且能够在家中进行自我检测。一旦出版，它将是一个名副其实的“福尔摩斯”来检测新的冠状病毒。

波士顿，2020年5月18日

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