開(kāi)發(fā)出高靈敏檢測(cè)疾病相關(guān)突變的SNIPR技術(shù)

出現(xiàn)在小說(shuō)草稿中的錯(cuò)別字不是什么大災(zāi)難。但是，自然通常很少容忍錯(cuò)誤。遺傳密碼中僅一個(gè)堿基的更改可能會(huì)對(duì)人類健康造成災(zāi)難性的后果。這種涉及DNA或RNA中單個(gè)堿基的基因組變化稱為點(diǎn)突變。它們可導(dǎo)致輕微的異常，比如色盲，但也可導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病，包括神經(jīng)纖維瘤病、鐮狀細(xì)胞貧血、某些癌癥和泰伊-薩克斯二氏病（Tay-Sachs disease）。突變也能產(chǎn)生對(duì)常規(guī)治療有抵抗力的疾病變體。

科學(xué)家們希望檢測(cè)這些點(diǎn)突變，以更好地評(píng)估人類健康中的脆弱性，提供準(zhǔn)確的早期診斷并指導(dǎo)適當(dāng)?shù)闹委煛５牵侥壳盀橹梗诨罴?xì)胞內(nèi)記錄諸如點(diǎn)突變之類的細(xì)微變化一直具有挑戰(zhàn)性。

在一項(xiàng)新研究中，來(lái)自美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員描述了一種檢測(cè)點(diǎn)突變的新方法。它可以應(yīng)用于活細(xì)胞中，從而提供了一種快速、高度準(zhǔn)確和廉價(jià)的方法來(lái)鑒定與人類健康有關(guān)的突變。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2020年3月5日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Precise and Programmable Detection of Mutations Using Ultraspecific Riboregulators”。論文通訊作者為亞利桑那州立大學(xué)的Alexander A. Green博士和Hao Yan博士。

這種方法可與基于試紙的診斷測(cè)試（由Green及其同事們開(kāi)發(fā)）結(jié)合使用，能夠在人體熱量驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)中查明突變并顯示基于顏色的讀數(shù)。

Green說(shuō)，“我們使用我們的技術(shù)完成的工作是開(kāi)發(fā)一種新的可移植的方法來(lái)檢測(cè)你想要檢測(cè)的RNA之間的微小序列差異。有了這種我們稱為SNIPR（Single-Nucleotide-Specific Programmable Riboregulator）的系統(tǒng)，我們就有能力根據(jù)單個(gè)核苷酸差異識(shí)別任何RNA序列。”

這種技術(shù)非常靈敏，甚至可以檢測(cè)到表觀遺傳變化，即對(duì)遺傳序列的細(xì)微化學(xué)修飾，可以調(diào)節(jié)基因表達(dá)而無(wú)需改變單個(gè)堿基的身份。

Yan表示，“這種方法取得的進(jìn)展有朝一日可能能夠用作個(gè)人基因分型的低成本替代技術(shù)。這種技術(shù)的簡(jiǎn)單性可能允許在家篩查與疾病有關(guān)的突變，從而提供快速而準(zhǔn)確的測(cè)試，同時(shí)為用戶保持?jǐn)?shù)據(jù)隱私。”

除了利用一種廉價(jià)、多用途的石蕊試驗(yàn)用于檢測(cè)突變相關(guān)疾病的便利性之外，這種技術(shù)還有望為細(xì)胞生物學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題---對(duì)抗生素的基因耐藥性和導(dǎo)致針對(duì)瘧疾和艾滋病等疾病的一線治療失敗的突變---提供新的思路。

遺傳密碼中的堿基

在人類中，遺傳密碼由排列在標(biāo)志性的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中的大約30億對(duì)核苷酸（即堿基）組成。遺傳密碼僅由4個(gè)堿基組成，這4個(gè)堿基可用字母A、T、C和G表示。

這4個(gè)堿基按照一定的次序排列在一起可形成基因，所形成的基因?yàn)榈鞍椎漠a(chǎn)生提供了指令。蛋白為細(xì)胞和包括肌肉、軟骨、韌帶、頭發(fā)和皮膚在內(nèi)的組織提供結(jié)構(gòu)。蛋白還提供生命的重要機(jī)制，監(jiān)督無(wú)數(shù)的細(xì)胞過(guò)程，包括代謝、信號(hào)傳遞、免疫防御、食物消化和細(xì)胞分裂。

捕捉突變

發(fā)生點(diǎn)突變的DNA基因?qū)⒈晦D(zhuǎn)錄為RNA，這有時(shí)會(huì)破壞所產(chǎn)生的蛋白或改變它的功能，這通常會(huì)危害人體健康。為了識(shí)別這些突變，這些研究人員設(shè)計(jì)出SNIPR---包含能夠與細(xì)胞中RNA序列結(jié)合的互補(bǔ)RNA片段的巧妙結(jié)構(gòu)。在細(xì)胞內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)在遇到突變的RNA序列（由細(xì)胞的修飾基因決定）時(shí)會(huì)激活。

如果細(xì)胞的突變RNA與觸發(fā)鏈（trigger strand，即互補(bǔ)RNA片段）的結(jié)合正確，則SNIPR會(huì)展開(kāi)，從而允許核糖體（將RNA轉(zhuǎn)化為蛋白所需的復(fù)合物）進(jìn)行序列訪問(wèn)。但是，如果SNIPR遇到未突變的序列，則說(shuō)明存在錯(cuò)配，蛋白翻譯受阻。

校對(duì)RNA

在細(xì)菌大腸桿菌中觀察到了突變的和未突變的RNA序列之間基因表達(dá)的100倍差異（以蛋白產(chǎn)生為準(zhǔn)），這使得檢測(cè)點(diǎn)突變變得容易。

這種技術(shù)依賴于敏銳地檢測(cè)所謂的結(jié)合能（binding energy）或者說(shuō)雜交能（hybridization energy）的差異。Green說(shuō)：“通常，當(dāng)你考慮DNA或RNA堿基配對(duì)時(shí)，它是通過(guò)氫鍵進(jìn)行的。堿基G與C的結(jié)合需要三個(gè)氫鍵，而A與U的結(jié)合需要兩個(gè)氫鍵。”除了點(diǎn)突變外，當(dāng)發(fā)生表觀遺傳變化（如甲基化）時(shí)，體外分析還可以檢測(cè)結(jié)合能的微小差異。

這種基于試紙的測(cè)試可以在醫(yī)療資源匱乏的地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)使用。該技術(shù)對(duì)發(fā)展中國(guó)家特別有希望，這是因?yàn)樗恍枰獜?fù)雜的設(shè)備，并且可以在人體溫度下運(yùn)行。

論文**作者Fan Hong設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)算法，該算法允許根據(jù)所需的RNA靶序列有效設(shè)計(jì)SNIPR。

Hong說(shuō)，“為了讓SNIPR易于使用，我們使得這一過(guò)程自動(dòng)化，以便每個(gè)人都可以在不了解RNA折疊和RNA相互作用的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)。他們已經(jīng)顯示出許多實(shí)際應(yīng)用，比如人類基因分型、寨卡病毒檢測(cè)和病毒毒株鑒定。”

強(qiáng)大的技術(shù)為科學(xué)帶來(lái)福音

在流行病學(xué)上，鑒定特定菌株或毒株至關(guān)重要。比如，寨卡病毒的某些遺傳變體似乎增加出生畸形的風(fēng)險(xiǎn)，而當(dāng)前正在傳播的新型冠狀病毒也在進(jìn)化，并且它的序列與導(dǎo)致2002-2003年嚴(yán)重急性呼吸綜合征（SARS）疫情的冠狀病毒（SARS-CoV）非常相似。鑒定這些突變病原體的影響及其地理分布對(duì)于應(yīng)對(duì)這些疫情以及未來(lái)的疾病暴發(fā)至關(guān)重要。

這種方法還可以為抗擊癌癥提供新的希望。比如，與一種罕見(jiàn)的侵襲性卵巢癌有關(guān)的顆粒細(xì)胞瘤（granulosa cell tumor）是由構(gòu)成人類遺傳密碼的30億個(gè)核苷酸對(duì)中的一個(gè)錯(cuò)誤堿基導(dǎo)致的，而腫瘤抑制基因BRCA1和BRCA2中的點(diǎn)突變導(dǎo)致乳腺癌的終生風(fēng)險(xiǎn)增加了6倍。

SNIPR的精細(xì)敏感性可以區(qū)分對(duì)于給定突變是雜合的還是純合的患者，也就是說(shuō)，他們的染色體攜帶一或兩個(gè)突變基因的拷貝，這是確定疾病易感性的關(guān)鍵因素。

HIV中的某些點(diǎn)突變可能導(dǎo)致常見(jiàn)的抗逆轉(zhuǎn)錄病毒療法失敗。針對(duì)此類突變的SNIPR測(cè)試可能能夠快速識(shí)別這些突變并指導(dǎo)適當(dāng)?shù)闹委煛?duì)于許多有需要的人來(lái)說(shuō)，常規(guī)的HIV耐藥性測(cè)試價(jià)格過(guò)高，每個(gè)樣本的測(cè)試成本超過(guò)200美元。

當(dāng)SNIPR探針與基于試紙的識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合使用時(shí)，快速、低成本和精確檢測(cè)基因點(diǎn)突變的潛力就可以在全球最需要此類診斷工具的任何地方進(jìn)行拓展。此外，SNIPR有望幫助科學(xué)家們了解菌株或毒株變異和與突變相關(guān)的對(duì)常見(jiàn)藥物的耐藥性。