革命性成像技术使用CRISPR来绘制DNA突变

由弗吉尼亚联邦大学物理学家Jason Reed博士领导的一组科学家开发了新的纳米技术，可以改变致病基因突变的诊断和发现方式。在今天发表在“ 自然通讯 ”杂志上的一项研究中描述，这种新方法使用高速原子力显微镜(AFM)结合基于CRISPR的化学条形码技术，在处理大部分基因组的同时，几乎与DNA测序一样准确地定位DNA以更快的速度。更重要的是 - 该技术可以通过普通DVD播放机中的部件提供动力。

人类基因组由数十亿个DNA碱基对组成。解开后，它延伸到近六英尺长。当细胞分裂时，它们必须为新细胞制作DNA拷贝。然而，有时DNA的各个部分被错误地复制或粘贴在错误的位置，导致导致癌症等疾病的基因突变。DNA测序非常精确，可以分析DNA的各个碱基对。但是为了分析基因组的大部分以发现基因突变，技术人员必须确定数百万个微小序列，然后用计算机软件将它们拼凑在一起。相比之下，生物医学成像技术如荧光原位杂交(FISH)只能以数十万碱基对的分辨率分析DNA。

Reed的新型高速AFM方法可以将DNA映射到数十个碱基对的分辨率，同时创建高达一百万个碱基对的图像。它使用DNA测序所需样品量的一小部分。“DNA测序是一种强有力的工具，但它仍然非常昂贵，并且具有一些技术和功能限制，使得难以有效和准确地绘制大部分基因组图谱，”Jason Reed博士说道，他是该研究的首席研究员。研究。Reed是VCU Massey癌症中心癌症分子遗传学研究项目的成员，也是VCU人文与科学学院物理系的副教授。“我们的方法填补了DNA测序与缺乏分辨率的其他物理绘图技术之间的差距。它可以作为一个独立的方法使用，或者它可以通过在拼接期间分析的小部分基因组中减少复杂性和错误来补充DNA测序。排序过程。“

IBM科学家在1989年制定AFM技术并使用相关技术在原子水平重新排列分子以拼出“IBM”时成为头条新闻。AFM通过使用微型触控笔实现这种细节水平 - 类似于唱机上的针 - 几乎不接触被研材料的表面。触笔和分子之间的相互作用产生了图像。然而，传统的AFM对于医疗应用而言太慢，因此主要由材料科学的工程师使用。“我们的设备与AFM的工作方式相同，但我们以更快的速度移动样品并使用光学仪器检测触针和分子之间的相互作用。我们可以达到与传统AFM相同的细节水平但是处理材料的速度要快一千倍，“里德说，他的团队证明，通过使用DVD播放器中的光学设备，可以将技术纳入主流。“高速AFM非常适合某些医疗应用，因为它可以快速处理材料，并提供比同类成像方法高出数百倍的分辨率。”

提高原子力显微镜的速度只是里德和他的同事必须克服的障碍。为了真正识别DNA中的基因突变，他们必须开发一种在DNA分子表面放置标记或标记的方法，以便识别模式和不规则性。使用CRISPR技术的形式开发了一种巧妙的化学条形码解决方案。

最近，CRISPR在基因编辑方面取得了很多头条新闻。CRISPR是一种科学家能够使用靶向RNA“编程”的酶，以便在细胞自身修复的精确位置切割DNA。Reed的团队改变了CRISPR酶的化学反应条件，使其仅粘附在DNA上，实际上并没有切割它。“由于CRISPR酶是一种物理上比DNA分子大的蛋白质，因此它非常适合这种条形码应用，”里德说。“我们惊讶地发现这种方法在与DNA分子结合时效率接近90%。而且因为很容易看到CRISPR蛋白质，你可以发现DNA模式中的基因突变。”

为了证明该技术的有效性，研究人员绘制了淋巴瘤患者淋巴结活检中存在的遗传易位图。当一部分DNA被复制并粘贴到基因组中的错误位置时，就会发生易位。它们在诸如淋巴瘤的血癌中尤其普遍，但也存在于其他癌症中。

虽然这项技术有许多潜在的用途，但Reed和他的团队正专注于医疗应用。他们目前正在开发基于现有算法的软件，该算法可以分析大小超过一百万个碱基对的DNA片段中的模式。一旦完成，就不难想象病理实验室中的这种鞋盒大小的仪器有助于诊断和治疗与基因突变相关的疾病。