【原】可识别上千种抗体，哈佛大学团队开发「Cas9失活型」蛋白质芯片： 有望成为广谱医学诊断新工具

除了基因组编辑和核酸检测外，“万能魔剪” CRISPR/Cas9 还在探索更多的应用场景。

美东时间 8 月 13 日，霍华德休斯医学研究所和哈佛医学院的研究人员通过改造 CRISPR 技术开发了一种新型蛋白质研究技术——PICASSO，该技术可能会激发一类新型医学诊断和其他许多应用的开发。

PICASSO 是由 Cas9 介导的自组织固定肽的简称，这项技术涉及到了可定制蛋白质集合、这些蛋白质与 Cas9 变体相连（失去酶活性的 Cas9）、Cas9 与 DNA 结合，但不会剪切 DNA。当把这些 Cas9 融合蛋白应用于包含数千个独特 DNA 分子的微芯片时，复合物中的每个蛋白质都会与相应的 DNA 序列自组装。

利用该技术，研究人员在患者血样中检测和识别与病原体中蛋白质结合的抗体，相关研究已于近日发表在 Molecular Cell 上。

（来源：Molecular Cell）

该研究由哈佛医学院和布莱根妇女医院遗传学和医药学教授 Stephen Elledge 博士主导，Karl Barber 是该论文的第一作者，他是 2018 年施密特科学研究员，在 Stephen Elledge 实验室担任研究员期间，开展了大量技术开发工作。

“这项工作最令人兴奋的一个方面是展示了 CRISPR 如何应用于全新的场景中。以往，CRISPR 主要用于基因编辑和 DNA/RNA 检测中。而 PICASSO 将 CRISPR 的力量带入了蛋白质研究的新领域，我们展示的分子自组装策略可能有助于新研究的开展和诊断工具的开发。”该研究小组负责人 Stephen Elledge 说。

图丨左为Stephen Elledge，右为Karl Barber（来源：哈佛大学官网）

一次可识别数千种抗体

CRISPR 系统在体外的应用日益成熟，科学家们基于 CRISPR 技术开发出了快速即时的病原体鉴定系统和核酸响应智能水凝胶等。

正是受到 CRISPR 在基因组编辑和核酸检测中的应用，Karl Barber 和同事们开发出了 PICASSO 技术，并采用经过修饰的 Cas9 核酸酶促进定制肽库研究。

这种新技术可以将 DNA 分子放置在表面的指定位置，然后复合物中的每种蛋白质都会与其相应的 DNA 序列自组装，由此产生的 DNA 模板微阵列能够快速识别临床中有关联的蛋白质。

Karl Barber 这样描述 PICASSO 这项技术，“这就好比在画布上作画一样，不是按照常规的方式一笔一笔作画，而是将所有颜料混合在一起，并将其泼在画布上，完成完美的画作。利用 PICASSO 技术，只要将 DNA 分子放在微阵列表面的特定位置，复合物中的蛋白质就会与相应的 DNA 序列自组装，就像自动编号的涂色试剂盒一样。由此产生的 DNA 模板蛋白质微阵列能够快速识别临床样本中的抗体，这些抗体还可以识别其他蛋白质。”

（来源：论文）

具体来说，PICASSO 将定制的蛋白质集与经修饰、无催化活性的 Cas9 核酸酶（dCas9）相连，失去催化活性的 Cas9 会与 DNA 序列结合在一起，但是不会切割 DNA；然后肽库与 dCAS9 融合，并利用独特的向导 RNA 序列编码标记；紧接着 dCas9 与肽的复合物会自动与向导 RNA 序列互补的 DNA 自组装。

因此，当将这些融合蛋白应用到含有数千种独特 DNA 分子的微芯片上时，复合物中的每种蛋白质就会与相应DNA序列自组装在一起，然后可以通过是否发光一次性识别样品中是否同时存在数千种抗体。

图|通过PICASSO方法的基于CRISPR的肽排列和微阵列自组装（来源：论文）

图|单批dcas9融合库制备和通过PICASSO进行微阵列自组装的原理证明（来源：论文）

研究人员写道，在开发 PICASSO 时，我们已经证明了基于 CRISPR 系统进行的多重肽库自组装，能够帮助科研人员在实验室只需常用的生物分子试剂即可快速定制蛋白质。

这些自组装的肽微阵列可以应用于大规模蛋白质研究。“通过 PICASSO 方法得到的 dCas9 复合物排列和自组装微阵列结构可以避免其他平台可能会出现的局限性，使定制肽库的研究更快速、范围更广。”研究人员说。

研究小组已经证明 PICASSO 可以组装数千种不同的蛋白质，这表明该技术有作为广谱医学诊断工具的潜力。事实上，研究小组已经利用 PICASSO 检测了新冠肺炎康复者的血液中是否存在与病原体蛋白质结合的抗体。

“在这项工作中，我们展示了 PICASSO 在蛋白质研究中的应用，创造了一种可以快速用作医学诊断的工具。我们的蛋白质自组装技术还可以用于开发新的生物材料和生物传感器，即只需将 DNA 靶标连接到支架上并让其与 Cas9 连接的蛋白质结合即可。”Karl Barber 说。

预计，PICASSO 还有望应用于复用诊断（multiplexed diagnostic）、酶底物发现以及蛋白质进化和设计实验等。

蛋白质芯片VS质谱

蛋白质是细胞生存的基础，许多疾病发生和发展都与蛋白质变化息息相关。蛋白质组学大数据公司西湖欧米创始人郭天南此前曾告诉生辉，当人体出现问题时，基因组可能不会发生变化，但蛋白质组会发生改变。

蛋白组学分析在疾病研究中的重要性不言而喻。

当前，蛋白质组研究采用的主要手段包括抗体芯片（antibody array）和质谱（MS）等。其中蛋白质微阵列即蛋白质芯片是继基因芯片技术之后的又一重大的技术突破，在蛋白质组学分析中扮演着重要的角色；质谱则被视为当前蛋白质组学研究中的核心技术之一。

蛋白质微阵列技术通过抗体与抗原结合的特异性也就是免疫反应进行检测，具体来讲就是把具有不同生物活性的蛋白质分别置于微量板的不同孔内来进行蛋白质功能筛选的文库。

该技术是高通量技术与分子生物学技术结合的产物，其应用方向更偏向于大规模特定检测目标的筛选，筛选精度较质谱更高。在检测指标层面，由于蛋白芯片在设计时就已经根据蛋白功能属性进行了归类，因此检测指标的背景资料更为丰富；在数据解析难度层面，蛋白芯片较质谱、测序等其他组学技术要低很多。

长久以来，质谱技术都是蛋白质研究不可或缺的一项重要技术，高通量质谱技术能达到蛋白质图谱分析所需的灵敏度，分辨率和速度。与蛋白质芯片技术相比，质谱技术的应用方向更偏向组学的性质，其检测的蛋白质类型和数量更为广泛；通过质谱技术还可以发现新的蛋白质以及蛋白质修饰方式。

此外，低分子量区是质谱定性和定量比较准确的区间，在这一区域使用质谱检测会更为灵敏，检测结构会更为准确。

参考资料：

https://www./news/crispr-based-tech-could-revolutionize-antibody-based-diagnostics-researchers-suggest/

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