CRISPR技术首次进入蛋白质研究领域:一次识别上千种抗体,颠覆抗体诊断

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CRISPR技术首次进入蛋白质研究领域:一次识别上千种抗体,颠覆抗体诊断

撰文 | nagashi

编辑 | 王多鱼

排版 | 水成文

 

CRISPR基因编辑技术自问世以来,就表现出其他基因编辑技术无可比拟的优势,并深刻改变了基因编辑领域乃至整个生命科学的研究模式。如今,CRISPR技术已被应用于精确基因组编辑和转录调控等一系列科学研究,这使得科学家能够“随意”操纵基因序列。

 

不仅如此,随着宏基因组测序的发展,科学家们陆续发现了更多种类的Cas核酸酶,这些Cas蛋白酶识别并响应与其结合的sgRNA互补的核酸序列的能力也进一步启发了基于CRISPR的体外诊断技术的发展,例如诺奖得主 Jennifer Doudna 的DETECTR以及张锋的SHERLOCK。

 

近日,哈佛医学院的研究人员在 Cell 子刊 Molecular Cell 上发表了题为:CRISPR-based peptide library display and programmable microarray self-assembly for rapid quantitative protein binding assays 的研究论文。

 

这项研究利用CRISPR基因编辑技术开发了一种全新的肽展示平台——PICASSO可以作为一种工具来识别患者血液样本中的抗体。这种新技术可能会激发一类新的医学诊断,并为一系列其他应用开辟新道路。

 

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进入21世纪以来,生物技术的创新发展极大地提高了进行大规模蛋白质研究的能力,定制蛋白质和多肽库的生产和查询已被证明对生物应用非常重要,包括疾病诊断、治疗性抗体开发和定向进化等。

 

目前,这些研究通常使用噬菌体体体外展示技术或蛋白质和肽微阵列技术,然而,这些策略要么耗时太久,要么就是成本过于昂贵。因此,为了便于定制肽库的研究和克服现有展示技术的局限性,研究团队计划利用CRISPR系统的特性创建了一个体外肽展示平台。

 

在这项研究中,为了便利定制肽库的研究和克服现有展示技术的局限性,研究团队利用CRISPR系统的特性创建了一个体外肽展示平台——“毕加索(PICASSO)。通过将重组肽融合到切割活性丧失的Cas9(dCas9)蛋白中,由此构建了一个以sgRNA序列为条形码标识的肽序列库。

 

本研究的通讯作者 Stephen Elledge 博士表示:“PICASSO利用可定制的蛋白质集合,这些蛋白质连接到一个dCas9上。dCas9会与DNA结合,但不会切断DNA,肽集合融合到dCas9,并以独特的sgRNA序列进行条形码编码。”

 

PICASSO是一项基于CRISPR的肽展示和微阵列自组装技术

 

紧接着,研究团队使用一种被称为由Cas9介导的自组织肽固定化的技术,这些dCas9-融合肽会自组装到一个DNA微阵列表面的位置,并结合到那些与sgRNA条形码互补的DNA序列上。

 

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单dCas9融合蛋白与sgRNA DNA芯片结合

 

因此,当应用到含有数千种独特DNA分子的微芯片上时,混合物中的每一种蛋白质都会自我组装到包含相应DNA序列的芯片上。由此产生的DNA模板自组装肽微阵列可以用于大规模的蛋白质研究。

 

Stephen Elledge 博士表示:“通过PICASSO的dCas9融合显示和自组装微阵列构建克服了其他显示平台的许多弊端,使定制的肽库研究更快和更广泛。”

 

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PICASSO进行微阵列自组装的原理证明

 

对于这项新技术的描述,我们可以打一个十分有趣的比方:想象一下,你想在画布上画画,但不是用正常的方式,而是把所有的颜料混合在一起,泼洒在画布上,完美的画作就自然而然地出现了!

 

利用PICASSO,可以将DNA分子放置在表面的特定位置,然后混合物中的每一个蛋白质就会自我组装到相应的DNA序列上,就像一个自动编号的涂漆工具包。由此产生的DNA模板蛋白微阵列可以让你快速识别临床样本中的抗体,或者识别你感兴趣的任何蛋白质。

 

基于此,目前研究人员究正使用PICASSO平台检测各种病原体的抗原抗体结合,包括正在康复的COVID-19患者血液中的SARS-CoV-2相关抗体。

 

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本研究的模式图

本研究的第一作者 Karl Barber 博士评论道:“在这项工作中,我们展示了PICASSO在蛋白质研究中的应用,创造了一种可以迅速应用于医疗诊断的工具。同时,PICASSO也可以用于开发新的生物材料和生物传感器,无需PCR或大规模测序,并且在dCas9-sgRNA文库应用到dsDNA微阵列后的几个小时内就可以完成这一检测过程!”

 

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Karl Barber展示PICASSO微阵列

 

总而言之,PICASSO这项新技术最令人兴奋的方面之一是将CRISPR技术应用在一个全新的环境——蛋白质研究的新领域,这可能有助于开发新的研究和诊断工具,包括多重诊断、酶底物发现、蛋白质进化和设计实验等等,让我们拭目以待!

论文链接:

https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(21)00596-7

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