Phát hiện virus thông qua hệ thống CRISPR-Cas loại III-A có thể lập trình
Tóm tắt
Trong số các phương pháp phát hiện virus hiện có, những phương pháp dựa trên các enzyme CRISPR-Cas có thể lập trình mang lại lợi thế về thời gian báo cáo nhanh và độ nhạy cao mà không cần đến máy gia nhiệt. Hệ thống CRISPR-Cas loại III-A là một yếu tố miễn dịch với nhiều thành phần và cơ chế hoạt động khác nhau, kích hoạt bởi RNA virus, trước đây chưa được sử dụng để phát hiện bệnh phần nào là do quy trình tái tạo enzyme phức tạp và chức năng của nó. Tại đây, chúng tôi mô tả việc xây dựng và ứng dụng một phương pháp phát hiện virus, dựa trên hệ thống CRISPR-Cas loại III-A được tái tạo trong môi trường sống. Hệ thống này tận dụng cả hoạt động cắt nucleic acid do RNA và phiên mã kích hoạt, cũng như khuếch đại tín hiệu nội bộ cho phép phát hiện virus với độ nhạy cao và trong nhiều điều kiện khác nhau. Chúng tôi đã chứng minh việc sử dụng phương pháp dựa trên hệ thống loại III-A trong việc phát hiện SARS-CoV-2, đạt độ nhạy 2000 copies/μl mà không cần khuếch đại và 60 copies/μl nhạy cảm qua khuếch đại isothermal trong vòng 30 phút, và chẩn đoán bệnh nhân nhiễm SARS-CoV-2 trong cả hai điều kiện. Độ nhạy cao, điều kiện phản ứng linh hoạt và việc khuếch đại có sự dẫn dắt bởi phân tử nhỏ khiến hệ thống loại III-A trở thành một phương pháp phát hiện nucleic acid độc đáo với nhiều ứng dụng rộng rãi.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
van Seventer J. M. & Hochberg, N. S. Principles of Infectious Diseases: Transmission, Diagnosis, Prevention, and Control. p. 22–39. (International Encyclopedia of Public Health, 2017).
Taubenberger, J. K. The origin and virulence of the 1918 “Spanish” influenza virus. Proc. Am. Philos. Soc. 150, 86–112 (2006).
Morens, D. M., Taubenberger, J. K., Harvey, H. A. & Memoli, M. J. The 1918 influenza pandemic: lessons for 2009 and the future. Crit. Care Med. 38, e10–e20 (2010).
Jilani, T. N., Jamil, R. T. & Siddiqui, A. H. in StatPearls (Treasure Island (FL), 2020).
Deeks, S. G., Overbaugh, J., Phillips, A. & Buchbinder, S. HIV infection. Nat. Rev. Dis. Prim. 1, 15035 (2015).
Fauci, A. S., Touchette, N. A. & Folkers, G. K. Emerging infectious diseases: a 10-year perspective from the National Institute of Allergy and Infectious Diseases. Emerg. Infect. Dis. 11, 519–525 (2005).
Petersen, E. et al. Comparing SARS-CoV-2 with SARS-CoV and influenza pandemics. Lancet Infect. Dis. 20, e238–e244 (2020).
Zhu, N. et al. A novel coronavirus from patients with pneumonia in China, 2019. New Engl. J. Med 382, 727–733 (2020).
Deng, S. Q. & Peng, H. J. Characteristics of and Public Health Responses to the Coronavirus Disease 2019 Outbreak in China. J. Clin. Med. 9, 575 (2020).
Han, Q., Lin, Q., Jin, S. & You, L. Coronavirus 2019-nCoV: a brief perspective from the front line. J. Infect. 80, 373–377 (2020).
Hu, B., Guo, H., Zhou, P. & Shi, Z. L. Characteristics of SARS-CoV-2 and COVID-19. Nat. Rev. Microbiol. 19, 141–154 (2021).
Tang, J. W., Tambyah, P. A. & Hui, D. S. Emergence of a new SARS-CoV-2 variant in the UK. J. Infect. 82, e27–e28 (2021).
Tang, J. W., Toovey, O. T. R., Harvey, K. N. & Hui, D. D. S. Introduction of the South African SARS-CoV-2 variant 501Y.V2 into the UK. J. Infect. 82, e8–e10 (2021).
Kirby, T. New variant of SARS-CoV-2 in UK causes surge of COVID-19. Lancet Respir. Med. 9, e20–e21 (2021).
Tegally, H. et al. Sixteen novel lineages of SARS-CoV-2 in South Africa. Nat. Med. 27, 440–446 (2021).
Mahony, J. B. Detection of respiratory viruses by molecular methods. Clin. Microbiol. Rev. 21, 716–747 (2008).
Jayamohan, H. et al. SARS-CoV-2 pandemic: a review of molecular diagnostic tools including sample collection and commercial response with associated advantages and limitations. Anal. Bioanal. Chem. 413, 49–71 (2021).
Freije, C. A. & Sabeti, P. C. Detect and destroy: CRISPR-based technologies for the response against viruses. Cell Host Microbe 29, 689–703 (2021).
Gootenberg, J. S. et al. Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2. Science 356, 438–442 (2017).
Gootenberg, J. S. et al. Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13, Cas12a, and Csm6. Science 360, 439–444 (2018).
Myhrvold, C. et al. Field-deployable viral diagnostics using CRISPR-Cas13. Science 360, 444–448 (2018).
Chen, J. S. et al. CRISPR-Cas12a target binding unleashes indiscriminate single-stranded DNase activity. Science 360, 436–439 (2018).
Broughton, J. P. et al. CRISPR-Cas12-based detection of SARS-CoV-2. Nat. Biotechnol. 38, 870–874 (2020).
Abudayyeh, O. O. et al. C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector. Science 353, aaf5573 (2016).
Kellner, M. J., Koob, J. G., Gootenberg, J. S., Abudayyeh, O. O. & Zhang, F. SHERLOCK: nucleic acid detection with CRISPR nucleases. Nat. Protoc. 14, 2986–3012 (2019).
Fozouni, P. et al. Amplification-free detection of SARS-CoV-2 with CRISPR-Cas13a and mobile phone microscopy. Cell. 184, 323–333.e9 (2021).
Liu, T. Y. et al. Accelerated RNA detection using tandem CRISPR nucleases. Nat. Chem. Biol. 17, 982–988 (2021).
Shi, K. et al. A CRISPR-Cas autocatalysis-driven feedback amplification network for supersensitive DNA diagnostics. Sci. Adv. 7, eabc7802 (2021).
Jia, N. et al. Type III-A CRISPR-Cas Csm complexes: assembly, periodic RNA cleavage, DNase activity regulation, and autoimmunity. Mol. Cell 73, 264–277 e265 (2019).
You, L. et al. Structure studies of the CRISPR-Csm complex reveal mechanism of co-transcriptional interference. Cell 176, 239–253.e216 (2019).
Niewoehner, O. et al. Type III CRISPR-Cas systems produce cyclic oligoadenylate second messengers. Nature 548, 543–548 (2017).
Sridhara, S. et al. Structure and function of an in vivo assembled type III-A CRISPR-Cas complex reveal critical roles of dynamics in activity control. bioRxiv https://doi.org/10.1101/2021.01.27.428455 (2021).
Jung, T. Y. et al. Crystal structure of the Csm1 subunit of the Csm complex and its single-stranded DNA-specific nuclease activity. Structure 23, 782–790 (2015).
Kazlauskiene, M., Tamulaitis, G., Kostiuk, G., Venclovas, C. & Siksnys, V. Spatiotemporal control of type III-A CRISPR-Cas immunity: coupling DNA degradation with the target RNA recognition. Mol. Cell 62, 295–306 (2016).
Nasef, M. et al. Regulation of cyclic oligoadenylate synthesis by the Staphylococcus epidermidis Cas10-Csm complex. RNA 25, 948–962 (2019).
Kazlauskiene, M., Kostiuk, G., Venclovas, C., Tamulaitis, G. & Siksnys, V. A cyclic oligonucleotide signaling pathway in type III CRISPR-Cas systems. Science 357, 605–609 (2017).
Liu, T. Y., Liu, J. J., Aditham, A. J., Nogales, E. & Doudna, J. A. Target preference of Type III-A CRISPR-Cas complexes at the transcription bubble. Nat. Commun. 10, 3001 (2019).
Liu, T. Y., Iavarone, A. T. & Doudna, J. A. RNA and DNA targeting by a reconstituted thermus thermophilus type III-A CRISPR-Cas system. PLoS ONE 12, e0170552 (2017).
Sousa, R. & Padilla, R. A mutant T7 RNA polymerase as a DNA polymerase. EMBO J. 14, 4609–4621 (1995).
Joung, J. et al. Detection of SARS-CoV-2 with SHERLOCK one-pot testing. New Engl. J. Med. 383, 1492–1494 (2020).
Piepenburg, O., Williams, C. H., Stemple, D. L. & Armes, N. A. DNA detection using recombination proteins. PLoS Biol. 4, e204 (2006).
Zhang, F., Abudayyeh, O. O. & Gootenberg, J. S. A protocol for detection of COVID-19 using CRISPR diagnostics. https://broad.io/sherlockprotocol Accessed 1 June 2020.
Lobato, I. M. & O’Sullivan, C. K. Recombinase polymerase amplification: Basics, applications and recent advances. Trends Anal. Chem. 98, 19–35 (2018).
Jinek, M. et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science 337, 816–821 (2012).
Santiago-Frangos, A. et al. Intrinsic signal amplification by type III CRISPR-Cas systems provides a sequence-specific SARS-CoV-2 diagnostic. Cell Rep. Med, 2, 100319 (2021).
Teng, F. et al. CDetection: CRISPR-Cas12b-based DNA detection with sub-attomolar sensitivity and single-base specificity. Genome Biol. 20, 132 (2019).
East-Seletsky, A., O’Connell, M. R., Burstein, D., Knott, G. J. & Doudna, J. A. RNA targeting by functionally orthogonal type VI-A CRISPR-Cas enzymes. Mol. Cell 66, 373–383 e373 (2017).
Fozouni, P. et al. Amplification-free detection of SARS-CoV-2 with CRISPR-Cas13a and mobile phone microscopy. Cell 184, 323–333 e329 (2021).
Ding, X. et al. Ultrasensitive and visual detection of SARS-CoV-2 using all-in-one dual CRISPR-Cas12a assay. Nat. Commun. 11, 4711 (2020).
Ichikawa, H. T. et al. Programmable type III-A CRISPR-Cas DNA targeting modules. PLoS ONE 12, e0176221 (2017).