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

Системы CRISPR-Cas, используемые в бактериях и вирусах, идентифицируют и уничтожают вторгающиеся вирусные последовательности. Это бактериальная и архейная иммунная система, обеспечивающая защиту 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 сельскохозяйственных культур. Однако существующие в настоящее время системы CRISPR-Cas имеют ограниченное клиническое применение из-за частого возникновения нецелевого редактирования, неожиданных мутаций ДНК и наследственных проблем. Недавно исследователи сообщили о новой системе CRISPR-Cas, которая может более точно нацеливаться на мРНК и белки, связанные с различными генетическими заболеваниями, и уничтожать их без нецелевого воздействия и наследственных проблем. Названная Craspase, это первая система CRISPR-Cas, демонстрирующая функцию редактирования белков . Это также первая система, которая может редактировать как РНК, так и белки . Поскольку Craspase преодолевает многие ограничения существующих систем CRISPR-Cas, она обладает потенциалом для революционизации генной терапии, диагностики и мониторинга, биомедицинских исследований и улучшения сельскохозяйственных культур.

«Система CRISPR-Cas» — это естественная иммунная система бактерий и архей, защищающая от вирусных инфекций. Она идентифицирует, связывает и разрушает последовательности вирусных генов для защиты. Она состоит из двух частей: бактериальной РНК, транскрибированной из вирусного гена, встроенного в бактериальный геном после первого заражения (называемой CRISPR, она идентифицирует целевые последовательности вторгающихся вирусных генов), и связанного с ней белка- разрушителя, называемого « белком, ассоциированным с CRISPR (Cas)», который связывает и разрушает идентифицированные последовательности вирусных генов для защиты бактерий от вирусов.

Аббревиатура CRISPER расшифровывается как «кластерные регулярно расположенные короткие палиндромные повторы». Это транскрибируемая бактериальная РНК, характеризующаяся наличием палиндромных повторов.

Палиндромные повторы (CRISPR) были впервые обнаружены в последовательностях E. coli в 1987 году. В 1995 году Франсиско Мохика наблюдал аналогичные структуры в археях, и именно он первым предположил, что они являются частью иммунной системы бактерий и архей. В 2008 году экспериментально впервые было продемонстрировано, что мишенью иммунной системы бактерий и архей является чужеродная ДНК, а не мРНК. Механизм идентификации и деградации вирусных последовательностей позволил предположить, 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 долгий путь, став прочно устоявшейся стандартной системой редактирования генов , и нашла широкое применение в биомедицине, сельском хозяйстве, фармацевтической промышленности, включая клиническую генную терапию ^1,2.

Уже идентифицирован и доступен широкий спектр систем CRISPR -Cas для мониторинга и редактирования последовательностей ДНК/РНК в исследовательских целях, для скрининга лекарств, диагностики и лечения. Существующие системы CRISPR/Cas делятся на 2 класса (классы 1 и 2) и шесть типов (типы I–XI). Системы класса 1 имеют несколько белков Cas , которые должны образовывать функциональный комплекс для связывания и воздействия на целевые последовательности. С другой стороны, системы класса 2 имеют только один большой белок Cas для связывания и деградации целевых последовательностей, что упрощает их использование. Наиболее часто используемые системы класса 2 — это Cas 9 типа II, Cas 13 типа VI и Cas 12 типа V. Эти системы могут иметь нежелательные побочные эффекты, например, 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 крупных фрагментов ДНК и крупные структурные варианты ДНК как в целевых, так и в нецелевых участках, что приводит к гибели клеток и другим наследственным проблемам.

Краспаза (или каспаза, управляемая CRISPR)  

Недавно исследователи сообщили о новой системе CRISPER-Cas, представляющей собой систему Cas7-11 класса 2 типа III-E, связанную с каспазоподобным белком , поэтому она называется Craspase или CRISPR-направляемой каспазой ⁵ (Каспазы — это цистеиновые протеазы, играющие ключевую роль в апоптозе, разрушая клеточные структуры). Она имеет потенциальные области применения, такие как генная терапия и диагностика. Craspase является РНК-направляемой и РНК-мишенью и не взаимодействует с последовательностями ДНК. Она может более точно нацеливаться на мРНК и белки, связанные с различными генетическими заболеваниями, и разрушать их без побочных эффектов. Таким образом, возможно удаление генов, связанных с заболеваниями, путем расщепления на уровне мРНК или белка. Кроме того, при связывании со специфическим ферментом Craspase может также использоваться для модификации функций белков. Когда ее РНКазные и протеазные функции удаляются, Craspase деактивируется (dCraspase). Она не обладает функцией разрезания, но связывается с последовательностями РНК и белков. Таким образом, dCraspase может использоваться в диагностике и визуализации для мониторинга и диагностики заболеваний или вирусов.

Краспаза — первая система CRISPR-Cas, демонстрирующая функцию редактирования белков. Это также первая система, способная редактировать как РНК, так и белки. Ее функция редактирования генов сопровождается минимальными побочными эффектами и отсутствием наследуемых проблем. Следовательно, Краспаза, вероятно, будет более безопасной 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