Cell亮点：一种超高精度可编程的基因突变检测手段

来源：BioArt

碱基突变是生物进化的驱动力，还会导致人类很多疾病的发生。在基因中的单个碱基突变对基因表达、蛋白质折叠、RNA剪切等等很多生物功能都有很大的影响进而影响对药物的耐受性和癌症的发生，比如BRCA1基因上的突变会导致乳腺癌的发病率增加6倍，HIV病毒基因上的突变会增加其药物耐受性使得诊断治疗更加的困难。在细胞体内实现单个基因突变的检测能够为进化生物学、分子生物学等等提供非常有力的研究工具。另外一方面，体外单碱基基因突变的检测在疾病诊断、传染病预防检测、细菌耐药性监测等方面也具有广泛的应用前景。然而，由于单个碱基突变在庞大的基因组环境下显得非常之小，导致在细胞体内环境下对其检测异常的困难。

2020年2月27日，亚利桑那州立大学Alexander A.Green和颜灏合作（第一作者为洪帆）在Cell上发表文章Precise and Programmable Detection of MutationsUsing Ultraspecific Riboregulators，利用从头设计（De-Novo Design）的思想设计了一套全新的叫做SNIPR（Single-Nucleotide-Specific Programmable Riboregulator）核糖调节子（riboregulator）使得他们不受自然界存在的核糖调节子的序列限制，可以利用任意RNA序列作为靶标实现基因的可控表达。具体的原理像是设计了一个非常精准的分子能量天平，这个天平的两端是基因表达的开始和抑制两种状态。没有突变的RNA会使天平往蛋白质表达抑制方向倾斜，而具有突变的RNA结合到这个天平之后，天平就会往表达开始一方平衡。这样的设计原理具有通用性，因为任何分子的相互作用都体现在结合能量上，所以根据这样的一个分子天平倾斜方向就能够实现对任意序列的基因突变或者修饰实现精准检测。

SNIPR可以直接被编码到细胞的基因组中，实现体内对基因组中单个基因突变的检测。研究人员将SNIPR编码到质粒并导入到E. Coli 中，在E. Coli.内被证明能够对任意位置、任意序列的突变实现高灵敏度的监测，单个碱基的突变能够引起100倍以上的蛋白表达差异，并且数据和理论模型结果预测吻合较好（相关性达到0.668）。进一步，为了探索SNIPR的检测极限，研究人员对RNA表观遗传修饰进行了尝试，结果令人惊奇的好，显示能够实现对在RNA水平实现2个碱基的m6a修饰和单个碱基的2-O-Methly修饰。这些结果证明了SNIPR在体内对RNA碱基突变和修饰实现了前所未有的精准检测。

这样超高精确度的SNIPR设计需要专业人员对RNA折叠和基因表达原理等物理、生物有较深的理解。为了使SNIPR被更多的人使用，研究人员将设计原则用算法实现并开发了相应的软件，设计过程可以完全由电脑自动化，用户只需要输入突变序列，软件就可以为用户设计他们需要的SNIPR，中间不需要任何的人为干预。使用开发的软件，科研人员成功的设计了一系列针对HIV耐药性，疟疾耐药性，和乳腺癌致病基因突变位点的精准检测。

结合cell-free蛋白表达和核酸信号放大方法，SNIPR可以被开发成低成本快速高效的检测纸片平台。研究人员测试对乳腺癌(BRCA2 6174delT)，血色素沉积病（HFE C282Y），肿瘤性纤维化（CFTR ΔF508）三种疾病的致病基因突变用软件设计了SNIPR，成功地对这三种疾病实现了高精准检测，甚至可以识别纯合子和杂合子突变。近些年来，液体活检成为了医疗上疾病诊断的新的方向，具有广阔的应用前景。液体活检是利用人的血液、唾液等液体，提出DNA实现疾病的诊断，这种诊断方法快速、无创伤。研究人员通过与Banner MD Anderson癌症中心的合作，对癌症病人血液样品中的DNA突变也进行了尝试，成功证明了可以实现对血液中DNA突变的检测。

另外在全球化和经济交通日益联系紧密的今天，疫情的爆发对全球卫生健康有着非常大威胁。在病毒爆发时期或者偏远的地区，由于资源有限，病毒感染的检测和确诊是非常重要防治疫情扩大的一步。基于SNIPR开发的廉价快速纸片检测平台SNIPR平台在这方面有着极大的应用价值。研究人员利用前些年爆发的寨卡病毒作为例子，使用SNIPR平台，能够达到在2小时内2ul 样品中aM浓度的检测水平，已经达到了临床要求的最低检测灵敏度（～1fM）。这样的检测平台无需贵重仪器，非常便携和廉价, 在病毒疫情爆发中，能发挥非常大的作用。现在爆发的武汉冠状病毒原理上也可以利用这个平台实现快速灵敏检测。

总而言之，SNIPR是一个全新的高精度基因突变检测方法。在基础研究中提供了新的研究工具供科研人员对癌症等疾病和进化生物学进行机理研究。在临床应用中，在基因组突变、液体活检、疫情爆发时候的感染监测具有广泛的应用前景。