開發出高靈敏檢測疾病相關突變的SNIPR技術

出現在小說草稿中的錯別字不是什么大災難。但是，自然通常很少容忍錯誤。遺傳密碼中僅一個堿基的更改可能會對人類健康造成災難性的后果。這種涉及DNA或RNA中單個堿基的基因組變化稱為點突變。它們可導致輕微的異常，比如色盲，但也可導致嚴重的疾病，包括神經纖維瘤病、鐮狀細胞貧血、某些癌癥和泰伊-薩克斯二氏病（Tay-Sachs disease）。突變也能產生對常規治療有抵抗力的疾病變體。

科學家們希望檢測這些點突變，以更好地評估人類健康中的脆弱性，提供準確的早期診斷并指導適當的治療。但是，到目前為止，在活細胞內記錄諸如點突變之類的細微變化一直具有挑戰性。

在一項新研究中，來自美國亞利桑那州立大學等研究機構的研究人員描述了一種檢測點突變的新方法。它可以應用于活細胞中，從而提供了一種快速、高度準確和廉價的方法來鑒定與人類健康有關的突變。相關研究結果發表在2020年3月5日的Cell期刊上，論文標題為“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試（由Green及其同事們開發）結合使用，能夠在人體熱量驅動的反應中查明突變并顯示基于顏色的讀數。

Green說，“我們使用我們的技術完成的工作是開發一種新的可移植的方法來檢測你想要檢測的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，我們就有能力根據單個核苷酸差異識別任何RNA序列。”

這種技術非常靈敏，甚至可以檢測到表觀遺傳變化，即對遺傳序列的細微化學修飾，可以調節基因表達而無需改變單個堿基的身份。

Yan表示，“這種方法取得的進展有朝一日可能能夠用作個人基因分型的低成本替代技術。這種技術的簡單性可能允許在家篩查與疾病有關的突變，從而提供快速而準確的測試，同時為用戶保持數據隱私。”

除了利用一種廉價、多用途的石蕊試驗用于檢測突變相關疾病的便利性之外，這種技術還有望為細胞生物學的基礎問題---對抗生素的基因耐藥性和導致針對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志性的DNA雙螺旋結構中的大約30億對核苷酸（即堿基）組成。遺傳密碼僅由4個堿基組成，這4個堿基可用字母A、T、C和G表示。

這4個堿基按照一定的次序排列在一起可形成基因，所形成的基因為蛋白的產生提供了指令。蛋白為細胞和包括肌肉、軟骨、韌帶、頭發和皮膚在內的組織提供結構。蛋白還提供生命的重要機制，監督無數的細胞過程，包括代謝、信號傳遞、免疫防御、食物消化和細胞分裂。

捕捉突變

發生點突變的DNA基因將被轉錄為RNA，這有時會破壞所產生的蛋白或改變它的功能，這通常會危害人體健康。為了識別這些突變，這些研究人員設計出SNIPR---包含能夠與細胞中RNA序列結合的互補RNA片段的巧妙結構。在細胞內，這種結構在遇到突變的RNA序列（由細胞的修飾基因決定）時會激活。

如果細胞的突變RNA與觸發鏈（trigger strand，即互補RNA片段）的結合正確，則SNIPR會展開，從而允許核糖體（將RNA轉化為蛋白所需的復合物）進行序列訪問。但是，如果SNIPR遇到未突變的序列，則說明存在錯配，蛋白翻譯受阻。

校對RNA

在細菌大腸桿菌中觀察到了突變的和未突變的RNA序列之間基因表達的100倍差異（以蛋白產生為準），這使得檢測點突變變得容易。

這種技術依賴于敏銳地檢測所謂的結合能（binding energy）或者說雜交能（hybridization energy）的差異。Green說：“通常，當你考慮DNA或RNA堿基配對時，它是通過氫鍵進行的。堿基G與C的結合需要三個氫鍵，而A與U的結合需要兩個氫鍵。”除了點突變外，當發生表觀遺傳變化（如甲基化）時，體外分析還可以檢測結合能的微小差異。

這種基于試紙的測試可以在醫療資源匱乏的地區進行現場使用。該技術對發展中國家特別有希望，這是因為它不需要復雜的設備，并且可以在人體溫度下運行。

論文**作者Fan Hong設計了計算機算法，該算法允許根據所需的RNA靶序列有效設計SNIPR。

Hong說，“為了讓SNIPR易于使用，我們使得這一過程自動化，以便每個人都可以在不了解RNA折疊和RNA相互作用的情況下進行設計。他們已經顯示出許多實際應用，比如人類基因分型、寨卡病毒檢測和病毒毒株鑒定。”

強大的技術為科學帶來福音

在流行病學上，鑒定特定菌株或毒株至關重要。比如，寨卡病毒的某些遺傳變體似乎增加出生畸形的風險，而當前正在傳播的新型冠狀病毒也在進化，并且它的序列與導致2002-2003年嚴重急性呼吸綜合征（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于應對這些疫情以及未來的疾病暴發至關重要。

這種方法還可以為抗擊癌癥提供新的希望。比如，與一種罕見的侵襲性卵巢癌有關的顆粒細胞瘤（granulosa cell tumor）是由構成人類遺傳密碼的30億個核苷酸對中的一個錯誤堿基導致的，而腫瘤抑制基因BRCA1和BRCA2中的點突變導致乳腺癌的終生風險增加了6倍。

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

HIV中的某些點突變可能導致常見的抗逆轉錄病毒療法失敗。針對此類突變的SNIPR測試可能能夠快速識別這些突變并指導適當的治療。對于許多有需要的人來說，常規的HIV耐藥性測試價格過高，每個樣本的測試成本超過200美元。

當SNIPR探針與基于試紙的識別系統結合使用時，快速、低成本和精確檢測基因點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行拓展。此外，SNIPR有望幫助科學家們了解菌株或毒株變異和與突變相關的對常見藥物的耐藥性。