CRISPR/CAS – АДАПТИВНАЯ ИММУННАЯ СИСТЕМА У БАКТЕРИЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЁ ПРИМЕНЕНИЯ В РЕДАКТИРОВАНИИ ГЕНОМА

Сорока Д. С., Соколова И. Е., Гаврилюк В. Г., Скляр Т. В.

ОБЗОРЫ ЛИТЕРАТУРЫ

Научная статья.

В данном обзоре литературы рассмотрены структурно-функциональные особенности и механизм действия системы CRISPR/Cas у бактерий, которая признана системой адаптивного иммунитета бактерий против инвазии вирусов и других генетических элементов. CRISPR/Cas состоит из определенного фрагмента ДНК, где повторы чередуются со спейсерами, в качестве которых выступают ДНК различных вирусов и плазмид. С CRISPR-блоком связаны СAS-гены. Они кодируют серию Cas-белков (в том числе Сas9) – полифункциональных ферментов с несколькими активностями (нуклеазной, хеликазной, полимеразной и др.), которые способны разрушать чужеродные ДНК. Природный Cas9 может применяться и в искусственных системах, но требует участия РНК-гида, который находит чужеродную ДНК-мишень благодаря комплементарности и нацеливает на нее Cas9. Последний приводит к деградации ДНК-мишени. Показана возможность применения CRISPR/Cas9-технологии в генной инженерии для получения геномодифицированных растений риса, сои, пшеницы, кукурузы, томатов, цитрусовых. Описаны попытки применения CRISPR/Cas для редактирования геномов при генетических, онкологических, сердечно-сосудистых, инфекционных заболеваниях.

CRISPR/Cas9, редактирование геномов, иммунитет бактерий против вирусов, РНК-гид, Cas-гены, Cas9.

1.  Ishino Y, Shinagawa H, Makino K, Amemura M, Nakata A. Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product. Journal of Bacteriology. 1987;169(12):5429-33. DOI: 0021- 9193/87/125429-05$02.00/0
2. Lander ES. The Heroes of CRISPR. Cell. 2016;164(1-2):18-28. DOI: 10.1016/j.cell.2015.12.041
3.  Mojica FJ, Díez-Villaseñor C, García-Martínez J, Soria E. Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements. Journal of Molecular Evolution. 2005;60(2):174-82. DOI: 10.1007/s00239-004-0046-3
4. Datsenko K, Pougach K, Tikhonov A. Molecular memory of prior infections activates the CRISPR. Cas adaptive bacterial immunity system. Nat. Commun. 2012;3:945. DOI: 10.1038/ncomms1937
5.  Ki Hyun Nam, Fran Ding, Charles Haitjema, Qingqiu Huang, Matthew PDe Lisa, Ailong Ke. Double-stranded Endonuclease Activity in Bacillus halodurans Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) – аassociated Cas2 Protein. J. Biol. Chem. 2012;287(43):35943- 52. DOI: 10.1074/jbc.M112.382598
6. Horvath Р, Barrangou R. CRISPR/Cas, the Immune System of Bacteria and Archaea. Science. 2010;327(5962):167-70. DOI: 10.1126/science.1179555
7.  Jinek M, Chyilinski K, Fonfara I, Hauer M. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science. 2012;337(6096):816-21. DOI: 10.1126/science.1225829
8. Barrangou R. Diversity of CRISPR-Cas immune systems and molecular machines. Genome Biology. 2015;16:247-57. DOI: 10.1186/s13059- 015-0816-9
9. Makarova KS, Koonin EV. Annotation and Classification of CRISPR-Cas Systems. Methods in Molecular Biology. 2015;1311:47-75. DOI: 10.1007/978-1-4939-2687-9_4
10.  Makarova S. Evolution and classification of the CRISPR-Cas systems. Nat Rev Microbiol. 2011;9(6):467-77. DOI: 10.1038/nrmicro2577
11. Jinek M, Jiang F, Taylor DW. Structures of Cas9 endonucleases reveal RNA-mediated conformational activation. Science. 2014;343(6176):1247997. DOI: 10.1126/science.1247997
12. Nishimasu H, Ran FA, Hsu PD. Crystal structure of Cas9 in complex with guide RNA and target DNA. Cell. 2014;156(5):935-49. DOI: 10.1016/j. cell.2014.02.001
13.  Sternberg SH, Redding S, Jinek M, Greene EC, Doudna JA. DNA interrogation by the CRISPR RNA-guided endonuclease Саs9. Nature. 2014;507(7490):62-7. DOI: 10.1038/nature13011
14.  Anders C. Niewoehner O, Duerst A, Martin J. Structural basis of PAM-dependent target DNA recognition by the Cas9 endonuclease. 2014;513(7519):569-73. DOI: 10.1038/nature13579
15. Hiroshi Nishimasu, Le Cong, Winston XYan, Ryuichiro Ishitani, Feng Zhang, Osamu Nureki, et al. Crystal Structure of Staphylococcus aureus Cas9. Cell. 2015;162(5):1113-26. DOI: 10.1016/j.cell.2015.08.007
16. Garneau JE, Dupuis MÈ, Villion M, Romero DA, Barrangou R, Boyaval P, et al. The CRISPR/Cas bacterial immune system cleaves bacteriophage and plasmid DNA. 2010;468(7320):67-71. DOI: 10.1038/nature09523
17. Erik J. Sontheimer and Luciano A. Marraffini. MICROBIOLOGY: Slicer for DNA. Nature. 2010;468(7320):45-6. DOI: 10.1038/468045a
18. Sampson TR, Saroj SD, Llewellyn AC, Tzeng YL, Weiss DS. A CRISPR/Cas system mediates bacterial innate immune evasion and virulence. Nature. 2013;497(7448):254-7. DOI: 10.1038/nature12048
19. Nemudryiy AA, Valetdinova KR, Medvedev SP, Zakiyan SM. Sistemyi redaktirovaniya genomov TALEN i CRISPR/Cas – instrumentyi otkryitiy. Acta naturae. 2014;3(22):20-42. [in Russian].
20. Mali Prashant, Esvelt Kevin M, Church George M. Cas9 as a versatile tool for engineering biology. Nature Methods. 2013;10(10):957-63. DOI: 10.1038/nmeth.2649
21. Doench JG, Hartenian E, Graham DB, Tothova Z, Hegde M, Smith I, et al. Rational design of highly active sgRNAs for CRISPR-Cas9-mediated gene inactivation. Nat Biotechnol. 2014;32(12):1262-7. DOI: 10.1038/nbt.3026
22. Mojica F, Díez-Villaseñor C, García-Martínez J, Almendros C. Short motif sequences determine the targets of the prokaryotic CRISPR defence system. Microbiology. 2009;155(3):733-40. DOI: 10.1099/mic.0.023960-0
23.  Elizabeth Pennisi. The CRISPR Craze. Science. 2013;341(6148):833-6. DOI: 10.1126/science.341.6148.833
24. Zaidi SS, Tashkandi M, Mansoor S, Mahfouz MM. Engineering Plant Immunity: Using CRISPR/Cas9 to Generate Virus Resistance. Frontiers in plant science. 2016;7:1673. DOI: 10.3389/fpls.2016.01673
25.  Wang Zhongde. Genome engineering in cattle: recent technological advancements. Chromosome Research: an international journal on the molecular, supramolecular and evolutionary aspects of chromosome biology. 2015;23(1):17-29. DOI: 10.1007/s10577-014-9452-6
26. Niemann H, Petersen B. The production of multi-transgenic pigs: update and perspectives for xenotransplantation. Transgenic Research. 2016;25(3):361-74. DOI: 10.1007/s11248-016-9934-8
27. Kohno H, Suenami S, Takeuchi H, Sasaki T, Kubo T. Production of Knockout Mutants by CRISPR/Cas9 in the European Honeybee, Apis mellifera L. Zoological science. 2016;33(5):505-12. DOI: 10.2108/zs160043
28.  Yang Luhan, Güell M, Niu Dong, George H, Lesha E, Grishin D, et al. Genome-wide inactivation of porcine endogenous retroviruses (PERVs). Science. 2015;350(6264):1101-4. DOI: 10.1126/science.aadll91
29.  Yang H, Wang H, Shivalila CS, Cheng AW, Shi L, Jaenisch R. One-step generation of mice carrying reporter and conditional alleles by CRISPR/ Cas-mediated genome engineering. Cell. 2013;154(6):1370-9. DOI: 10.1016/j.cell.2013.08.022
30. Goodman MA, Moradi Manesh D, Malik P, Rothenberg ME. CRISPR/Cas9 in allergic and immunologic diseases. Expert review of clinical immunology. 2016;13(1):5-9. DOI: 10.1080/174666X.2017.1241711
31. Borges TJ, Murakami N, Riella LV. Current status of alloimmunity. Current opinion in nephrology and hypertension. 2016;25(6):556-62. DOI: 10.1097/MNH.0000000000000267
32.  Yin Hao, Xue Wen, Chen Sidi, Bogorad RL, Benedetti E, Grompe M, et al. Genome editing with Cas9 in adult mice corrects a disease mutation and phenotype. Nature Biotechnology. 2014;32(6):551-3. DOI: 10.1038/nbt.2884
33. Yang Y, Zhang X, Yi L, Hou Z, Chen J, Kou X, et al. Naive induced pluripotent stem cells generated from β-thalassemia fibroblasts allow efficient gene correction with CRISPR/Cas9. Stem cells translational medicine. 2016;5(1):8-19. DOI: 10.5966/sctm.2015-0157
34. Schwank G, Koo Bon-Kyoung, Sasselli V, Dekkers JF, Heo I, Demircan T, et al. Functional repair of CFTR by CRISPR/Cas9 in intestinal stem cell organoids of cystic fibrosis patients. Cell Stem Cell. 2013;13(6):653-8. DOI: 10.1016/j.stem.2013.11.002
35. Jakočiūnas T, Jensen MK, Keasling JD. CRISPR/Cas9 advances engineering of microbial cell factories. Metabolic Engineering. 2016;34:44-59. DOI: 10.1016/j.ymben.2015.12.003

«Вестник проблем биологии и медицины» Выпуск 1 Том 2 (149), 2019 год, 46-51 страницы, код УДК 577.21: 579.25: 571.27

10.29254/2077-4214-2019-1-2-149-46-51