Molecular Cell：CRISPR技术给抗体诊断实验带来革命性的变化
Karl Barber
科学家们利用基因组编辑技术CRISPR开发了一种新的肽显示平台，可以作为一种工具来识别患者血液样本中的抗体。来自霍华德休斯医学研究所和哈佛医学院的研究人员认为，这种被他们称为 PICASSO (peptide immobilization by Cas9-mediated self-organization) 的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跳板。
这一重要成果以“CRISPR-based peptide library display and programmable microarray self-assembly for rapid quantitative protein binding assays”为题公布在Molecular Cell杂志上。
研究人员使用该平台检测抗体与来自病原体的蛋白质结合，包括COVID-19患者血液中的SARS-CoV-2。这项研究由哈佛医学院和布莱根妇女医院的Stephen Elledge博士领导。这篇论文的第一作者Karl Barber博士是2018年施密特科学研究员，他在通讯作者Elledge实验室担任研究员期间开展了许多技术开发工作。
作者指出，CRISPR-Cas9技术已被应用于精确基因组编辑和转录调控的一系列应用，这使科学家能够“随意”有效地操纵基因序列。但不同的Cas核酸酶能识别并响应与其结合的单导RNA(sgRNAs)互补的核酸序列的能力也“进一步启发了基于CRISPR的体外技术的发展”，包括快速即时病原体识别和核酸响应智能水凝胶。他们指出:“受CRISPR启发的系统已广泛应用于基因组编辑和核酸检测。”
Barber和同事开发的 PICASSO 技术使用了一种改良的Cas9酶来促进定制肽库的研究，克服了当前显示技术的局限性。
“在研发 PICASSO 的过程中，我们证明了使用基于CRISPR的系统进行多肽类库自组装，使快速定制蛋白质研究在任何实验室都可以使用常见的分子生物学试剂。”这种方法利用可定制的蛋白质集合，这些蛋白质连接到一个催化活性不强的Cas9酶(dCase9)上。这种变体会与DNA结合，但不会像基因改造应用那样切断DNA。肽集合融合到dCAS9，并以独特的单导RNA (sgRNA)序列进行条形码编码。
这些dCas9肽融合然后自组装到一个DNA微阵列表面的位置，与它们的sgRNA条形码互补。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。
该团队指出:“dCas9融合肽的单一混合池能够定位到微阵列表面的用户编程位置，该微阵列表面包含与每个肽的sgRNA条形码互补的DNA序列。”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。通过 PICASSO的dCas9融合显示和自组装微阵列构建绕过了其他显示平台的许多警告，使自定义肽库研究更快，更广泛。
CRISP SARS-CoV-2 graphical abstract
在描述这项技术时，Barber说:“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，完美的画面就出现了。利用我们的新技术，你将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，识别感兴趣的任何蛋白质。”因此，通过将血液样本应用于PICASSO微阵列，可以识别微芯片上被患者抗体识别的蛋白质。
Barber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，创造了一种我们相信可以迅速应用于医疗诊断的工具。我们的蛋白质自组装技术也可以用于开发新的生物材料和生物传感器，只需将DNA目标附着在支架上，并允许Cas9连接的蛋白质结合。”作者进一步说，“没有新一代测序要求或多轮选择，在dCas9-sgRNA文库应用到dsDNA微阵列后的几个小时内(相比于几天或几周)，可以进行PICASSO，并避免测序成本和与核酸显示相关的PCR人工制品。”
Elledge评论道:“这项工作最令人兴奋的方面之一是展示了CRISPR如何可以应用于一个全新的环境。此前，CRISPR主要用于基因编辑和DNA或RNA检测。PICASSO将CRISPR的力量引入了蛋白质研究的新领域，而我们展示的分子自组装策略可能有助于开发新的研究和诊断工具。”
参考文献
CRISPR-based peptide library display and programmable microarray self-assembly for rapid quantitative protein binding assays
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.07.027