Craspase: новая более безопасная «система CRISPR-Cas», которая редактирует как гены, так и белки  

«Системы CRISPR-Cas» в бактериях и вирусах выявляют и уничтожают вторгшиеся вирусные последовательности. Это бактериальная и архейная иммунная система для защиты от вирусных инфекций. В 2012 году система CRISPR-Cas была признана инструментом редактирования генома. С тех пор был разработан широкий спектр систем CRISPR-Cas, которые нашли применение в таких областях, как генная терапия, диагностика, исследования и улучшение урожая. Однако доступные в настоящее время системы CRISPR-Cas имеют ограниченное клиническое применение из-за частых случаев нецелевого редактирования, неожиданных мутаций ДНК и наследственных проблем. Исследователи недавно сообщили о новой системе CRISPR-Cas, которая может более точно нацеливаться и уничтожать мРНК и белки, связанные с различными генетическими заболеваниями, без нецелевого воздействия и наследственных проблем. Названная Craspase, это первая система CRISPR-Cas, которая демонстрирует функцию редактирования белка. Это также первая система, которая может редактировать как РНК, так и белок. Поскольку Craspase преодолевает многие ограничения существующих систем CRISPR-Cas, он может произвести революцию в генной терапии, диагностике и мониторинге, биомедицинских исследованиях и улучшении урожая. 

«Система CRISPR-Cas» — это естественная иммунная система бактерий и архей против вирусных инфекций, которая идентифицирует, связывает и разрушает последовательности вирусного гена для защиты. Он состоит из двух частей: бактериальной РНК, транскрибируемой с вирусного гена, включенного в бактериальный геном после первого заражения (называемого CRISPR, он идентифицирует целевые последовательности вторгшихся вирусных генов), и ассоциированного белка-разрушителя, называемого «ассоциированным с CRISPR белком (Cas)». который связывает и деградирует идентифицированные последовательности в вирусном гене, чтобы защитить бактерии от вирусов.  

CRISPER расшифровывается как «группированные короткие палиндромные повторы с регулярными интервалами». Это транскрибированная бактериальная РНК, характеризующаяся палиндромными повторами.  

Палиндромные повторы (CRISPR) впервые были обнаружены в последовательностях E. палочки в 1987 г. В 1995 г. Франсиско Мохика наблюдал аналогичные структуры у архей, и именно он первым подумал о них как о части иммунной системы бактерий и архей. В 2008 г. впервые экспериментально показано, что мишенью иммунной системы бактерий и архей является чужеродная ДНК, а не мРНК. Механизм идентификации и деградации вирусных последовательностей предполагал, что такие системы могут быть использованы в качестве инструмента для редактирования генома. С момента своего признания в качестве инструмента редактирования генома в 2012 году система CRISPR-Cas прошла очень долгий путь как прочно установившаяся стандартная система редактирования генов и нашла широкий спектр применений в биомедицине, сельском хозяйстве, фармацевтической промышленности, в том числе в клинической генной терапии.^1,2.  

Широкий спектр систем CRISPR-Cas уже идентифицирован и в настоящее время доступен для мониторинга и редактирования последовательностей ДНК/РНК для исследований, скрининга лекарств, диагностики и лечения. Существующие системы CRISPR/Cas делятся на 2 класса (класс 1 и 2) и шесть типов (от I до XI). Системы класса 1 имеют несколько белков Cas, которым необходимо сформировать функциональный комплекс, чтобы связываться со своими мишенями и воздействовать на них. С другой стороны, системы класса 2 имеют только один большой белок Cas для связывания и деградации последовательностей-мишеней, что упрощает использование систем класса 2. Обычно используемыми системами класса 2 являются Cas 9 Тип II, Cas13 Тип VI и Cas12 Тип V. Эти системы могут иметь нежелательные побочные эффекты, т. е. нецелевое воздействие и цитотоксичность.^3,5.  

Генная терапия, основанная на современных системах CRISPR-Cas, имеет ограниченное клиническое применение из-за частых случаев нецелевого редактирования, неожиданных мутаций ДНК, включая делеции больших фрагментов ДНК и больших структурных вариантов ДНК как в целевых, так и в нецелевых сайтах, что приводит к гибель клеток и другие наследственные проблемы.  

Краспаза (или каспаза, управляемая CRISPR)  

Исследователи недавно сообщили о новой системе CRISPER-Cas, которая представляет собой систему Cas2-7 типа III-E класса 11, связанную с каспазоподобным белком, получившим название Краспаза или каспаза, управляемая CRISPR ⁵ (Каспазы представляют собой цистеиновые протеазы, которые играют ключевую роль в апоптозе при разрушении клеточных структур). У него есть потенциальные применения в таких областях, как генная терапия и диагностика. Краспаза управляется РНК и нацелена на РНК и не участвует в последовательностях ДНК. Он может более точно нацеливаться и разрушать мРНК и белки, связанные с различными генетическими заболеваниями, без нецелевого воздействия. Таким образом, элиминация генов, связанных с заболеваниями, возможна путем расщепления на уровне мРНК или белка. Кроме того, краспаза, связанная со специфическими ферментами, также может быть использована для изменения функций белков. Когда его функции РНКазы и протеазы удаляются, краспаза деактивируется (dCraspase). Он не имеет функции разрезания, но связывается с последовательностями РНК и белков. Следовательно, dCraspase можно использовать в диагностике и визуализации для мониторинга и диагностики заболеваний или вирусов.  

Craspase — первая система CRISPR-Cas, демонстрирующая функцию редактирования белка. Это также первая система, которая может редактировать как РНК, так и белок. Его функция редактирования генов имеет минимальные побочные эффекты и отсутствие наследственных проблем. Следовательно, Craspase, вероятно, будет более безопасным в клиническом применении и терапии, чем другие доступные в настоящее время системы CRISPR-Cas. ^4,5.    

Поскольку Craspase преодолевает многие ограничения существующих систем CRISPR-Cas, он может произвести революцию в генной терапии, диагностике и мониторинге, биомедицинских исследованиях и улучшении урожая. Необходимы дополнительные исследования для разработки надежной системы доставки для точного нацеливания на гены, вызывающие заболевания, в клетках, прежде чем доказывать безопасность и эффективность в клинических испытаниях.   

Ссылки:  

1. Гостимская, И. CRISPR-Cas9: история его открытия и этические аспекты его использования в редактировании генома. Биохимия Москва 87, 777–788 (2022). https://doi.org/10.1134/S0006297922080090  

2. Чао Ли и др. 2022. Вычислительные инструменты и ресурсы для редактирования генома CRISPR/Cas. Геномика, протеомика и биоинформатика. Доступно в сети с 24 марта 2022 г. DOI: https://doi.org/10.1016/j.gpb.2022.02.006 

3. van Beljouw, SPB, Sanders, J., Rodríguez-Molina, A. et al. Системы CRISPR-Cas, нацеленные на РНК. Nat Rev Microbiol 21, 21–34 (2023). https://doi.org/10.1038/s41579-022-00793-y 

4. Чуньи Ху и др. 2022. Краспаза представляет собой РНК-активируемую протеазу, управляемую CRISPR. Наука. 25 августа 2022 г. Том 377, выпуск 6612. стр. 1278-1285. DOI: https://doi.org/10.1126/science.add5064  

5. Хуо, Г., Шеперд, Дж. и Пан, X. Краспаз: новый редактор двойных генов CRISPR/Cas. Функциональная и интегративная геномика 23, 98 (2023). Опубликовано: 23 марта 2023 г. DOI: https://doi.org/10.1007/s10142-023-01024-0