Cas9 (, CRISPR-ассоциированный белок) — это управляемая при помощи РНК-гидов эндонуклеаза, связанная с адаптивной иммунной системой CRISPR () у ряда бактерий, в частности Streptococcus pyogenes. S. pyogenes использует Cas9 для запоминания, последующей проверки и разрезания чужеродной ДНК, например, ДНК бактериофагов или плазмид.
Cas9 выполняет проверку посредством раскручивания инородной ДНК и определения её комплементарности с двадцатью спаренными основаниями спейсера управляющей РНК. Если субстрат комплементарен управляющей РНК, Cas9 расщепляет чужую ДНК. В этом смысле механизм CRISPR-Cas9 имеет ряд параллелей с механизмом РНК-интерференции (RNAi) у эукариот. Безопасность практического применения данного метода определяется в том числе и тем фактом, является ли искомая последовательность двадцати спаренных оснований уникальной в модифицируемой ДНК.
Использование Cas9 в генной инженерии
Кроме изначальной функции в бактериальном иммунитете, белок Cas9 активно используют для создания точечных разрывов в двойной спирали ДНК, такие разрывы могут приводить к инактивации генов или созданию гетерологичных генов посредством соединения негомологичных концов и соответствующей гомологичной рекомбинации. Вместе с белками ZFN и TALEN, Cas9 становится значимым инструментом редактирования генома.Carlaw, T. M., Zhang, L. H., & Ross, C. J. (2020). CRISPR/Cas9 Editing: Sparking Discussion on Safety in Light of the Need for New Therapeutics. Human Gene Therapy, 31(15-16), 794-807.
Одним из первых продемонстрировал программируемое расщепление ДНК белком Cas9 литовский биохимик Виргиниюс Шикшнис, но его статья не была принята на рассмотрение журналом 18 апреля 2012 года. Месяц спустя он отправил её в PNAS где на рассмотрение и публикацию ушло несколько месяцевGuglielmi, G. (2018). Million-dollar Kavli prize recognizes scientist scooped on CRISPR . Nature, 558(7708), 17-19. . Тем временем американский биохимик Дженнифер Даудна и французский микробиолог Эмманюэль Шарпантье опубликовали свою статью в рецензируемый научный журнал Science, где она была рассмотрена и принята в течение двух недель.
За создание новых технологий, позволяющих проводить с помощью CRISPR-Cas9 редактирование генома Эмманюэль Шарпантье и Дженнифер Даудна получили Нобелевскую премию по химии 2020 года.
Из-за патентных ограничений технология редактирования с помощью Cas9 доступна не всем учёным, а только владельцам патента, что является препятствием для развития науки и созданий лекарств Wetsman N. (2022). UC Berkeley loses CRISPR patent case. It’s a blow to the university and to biotech companies it partnered with . The Verge..
К 2012 году Cas9 приобрёл популярность, потому что он позволяет расщеплять практически любую нуклеотидную последовательность, комплементарную управляющей РНК. Поскольку избирательность Cas9 является следствием комплементарности управляющей РНК и ДНК, а не модификации самого белка (в отличие от случаев TALEN и ZFN), для новых ДНК-мишеней возможна выработка специфических Cas9. Варианты Cas9, которые связывают ДНК, но не расщепляют её (dCas9), могут быть использованы для доставки транскрипционных активаторов или репрессоров к специфичным последовательностям ДНК с целью регулирования транскрипционной активации и репрессии. Хотя природный Cas9 требует составления управляющей РНК из двух в корне различных РНК — CRISPR-РНК (crRNA), и транс-активационную РНК (tracrRNA), нацеливание Cas9 было упрощено при помощи выработки единой химерной управляющей РНК. Предполагается, что Cas9 можно будет использовать для изменения генома целых популяций организмов. В 2015 году посредством Cas9 впервые был модифицирован геном человеческого эмбриона. Разработана технология иммуногеномной инженерии гибридом, позволяющая быстро перепрограммировать специфичность их антител с помощью Cas9.
Создана технология, которая позволяет редактировать отдельные «буквы» ДНК и РНК, не разрезая цепь ДНК, а путём преобразования одного нуклеотидного основания в другое, что позволит лечить врожденные заболевания, вызванные точечными мутациями.Gaudelli, N. M., Komor, A. C., Rees, H. A., Packer, M. S., Badran, A. H., Bryson, D. I., & Liu, D. R. (2017). Programmable base editing of A• T to G• C in genomic DNA without DNA cleavage. Nature, 551(7681), 464-471. Xie, J., Huang, X., Wang, X., Gou, S., Liang, Y., Chen, F., ... & Jin, Q. (2020). ACBE, a new base editor for simultaneous C-to-T and A-to-G substitutions in mammalian systems. BMC biology, 18(1), 1-14. Liu, Z., Chen, S., Shan, H., Jia, Y., Chen, M., Song, Y., ... & Li, Z. (2020). Precise base editing with CC context-specificity using engineered human APOBEC3G-nCas9 fusions. BMC biology, 18(1), 111
Используя цитидин-деаминазы или же аденозин-деаминазы соединённые с dCas9 можно выключить экспрессию (путём введения преждевременных стоп-кодоновBillon, P., Bryant, E. E., Joseph, S. A., Nambiar, T. S., Hayward, S. B., Rothstein, R., & Ciccia, A. (2017). CRISPR-mediated base editing enables efficient disruption of eukaryotic genes through induction of STOP codons. Molecular cell, 67(6), 1068-1079. ) или поменять сплайсинг необходимые для синтеза тех или иных белковKluesner, M. G., Lahr, W. S., Lonetree, C. L., Smeester, B. A., Claudio-Vázquez, P. N., Pitzen, S. P., ... & Webber, B. R. (2020). CRISPR-Cas9 cytidine and adenosine base editing of splice-sites mediates highly-efficient disruption of proteins in primary cells. bioRxiv. Levy, J. M., Yeh, W. H., Pendse, N., Davis, J. R., Hennessey, E., Butcher, R., ... & Liu, D. R. (2020). Cytosine and adenine base editing of the brain, liver, retina, heart and skeletal muscle of mice via adeno-associated viruses. Nature Biomedical Engineering, 4(1), 97-110.
Создана технология MAGESTIC (multiplexed accurate genome editing with short, trackable, integrated cellular barcodes), которая не только расщепляет ДНК, но ещё и доставляет к месту разрыва кусок ДНК необходимый для точной замены (с помощью гибридного связывающего ДНК белка LexA-Fkh1p), что повышает точность и эффективность редактирования. Ещё одним инструментом для целевой вставки ДНК может стать CRISPR-ассоциированная транспозаза CAST (CRISPR-associated transposase) цианобактерии Scytonema hofmanni. ShCAST катализирует РНК-управляемую транспозицию ДНК путем однонаправленной вставки ниже протоспейсера сегментов ДНК размером в 60-66 пар нуклеотидов Strecker J., Ladha A., Gardner Z., et al., (2019). RNA-guided DNA insertion with CRISPR-associated transposases. Science, eaax9181 .
Использование dCas9 Соединив инактивированную молекулу dCas9, которая связывает ДНК, но не расщепляет её, с нуклеазой FokI, удаётся получить нуклеазы и рестриктазы для высокоселективного разрезания ДНК. Разработан также способ избирательного эпигенетического перепрограммирования активности генов с помощью инактивированной молекулы dCas9, соединённой с ферментом, осуществляющим деметилирование ДНК. Причём такое перепрограммирование эпигенома можно проводить даже in vivoXu, X.; Hulshoff, M.S.; Tan, X.; Zeisberg, M.; Zeisberg, E.M. CRISPR/Cas Derivatives as Novel Gene Modulating Tools: Possibilities and In Vivo Applications. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21(9), 3038; https://doi.org/10.3390/ijms21093038. Позднее выяснилось, что если укоротить управляющую РНК до 14-15 нуклеотидов, то молекула Cas9 теряет способность разрезать ДНК. Используя это свойство удалось создать систему для избирательной активации определённых генов in vivo и проверить её эффективность путём лечения мышей со смоделированными заболеваниями. У этого метода есть только одна проблема: обычно система CRISPR загружается в безвредный вирус, называемый аденоассоциированным вирусом (AAV), который переносит систему в клетку. Но весь белок, состоящий из dCas9 и направляющей РНК, слишком велик, чтобы поместиться в один AAV. Чтобы обойти эту проблему, исследователи загрузили dCas9 в один вирус, а управляющую РНК — в другой. Созданы трансгенные линии мышей для направленной регуляции генов in vivo путем редактирования эпигенома с помощью систем dCas9p300 и dCas9KRAB. Эти линии мышей являются удобными инструментами для манипулирования экспрессией генов in vivo с помощью различных направляющих РНК.Gemberling, M., Siklenka, K., Rodriguez, E., Eisinger, K., Barrera, A., Liu, F., ... & Gersbach, C. (2021). Transgenic mice for in vivo epigenome editing with CRISPR-based systems. bioRxiv. https://doi.org/10.1101/2021.03.08.434430
Повысить эффективность молекулы dCas9 позволяет повторяющийся полипептидный массив из повторяющихся антигенов, называемый SunTag, который может привлекать несколько копий антител, связанных с ферментом, осуществляющим эпигенетическое редактирование, или же с носителем флуоресцентной метки.Morita, S., Horii, T., Kimura, M., & Hatada, I. (2020). Synergistic Upregulation of Target Genes by TET1 and VP64 in the dCas9–SunTag Platform. International journal of molecular sciences, 21(5), 1574. Tanenbaum, M. E., Gilbert, L. A., Qi, L. S., Weissman, J. S., & Vale, R. D. (2014). A protein-tagging system for signal amplification in gene expression and fluorescence imaging. Cell, 159(3), 635-646.
Ещё одно применение dCas9 это программируемая модификация аминокислот в белках хроматина. Например искусственная гистон-протеинкиназа dCas9-dMSK1 позволяет осуществить гиперфосфорилирование серина 28 в гистоне H3 (H3S28ph), играющего роль "пусковой кнопки" в избирательной активации промоторов, и таким образом, повысить экспрессию выбранных генов.Li, J., Mahata, B., Escobar, M. et al. (2021). Programmable human histone phosphorylation and gene activation using a CRISPR/Cas9-based chromatin kinase. Nat Commun 12, 896, https://doi.org/10.1038/s41467-021-21188-2 New CRISPR tech targets human genome's complex code. Programmable CRISPR/Cas9-based kinase offers insights into, control over regulatory histone proteins . ScienceDaily, 9 February 2021
Новые способы доставки Cas9 в клетку Основными требованиями к системе доставки Cas9 помимо высокой эффективности доставки является: (1) конструкция синтезирующая Cas9 не должна встраиваться в геном клетки и не должна быть в клетке постоянно чтобы не мешать работе клетки и не спровоцировать иммунных реакций; (2) средство доставки должно быть способно вместить достаточно большие по размерам фермент Cas9 или кодирующую его мРНК, а также одну или несколько направляющих РНК; (3) оно должно быть удобно для использования в виде инъекций; (4) такое средство вместе с Cas9 и направляющими РНК должно быть достаточно легко воспроизводимым для крупномасштабного производства лекарственного препарата для борьбы с распространенными болезнями. Таким критериям в отличие от вирусных систем доставки, отвечают липидные наночастицы.Wang, M., Zuris, J. A., Meng, F., Rees, H., Sun, S., Deng, P., ... & Xu, Q. (2016). Efficient delivery of genome-editing proteins using bioreducible lipid nanoparticles. Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(11), 2868-2873.Qiu, M., Glass, Z., Chen, J., Haas, M., Jin, X., Zhao, X., ... & Xu, Q. (2021). Lipid nanoparticle-mediated codelivery of Cas9 mRNA and single-guide RNA achieves liver-specific in vivo genome editing of Angptl3. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(10). Так, например, была создана биодеградируемая система доставки Cas9 липидной наночастицей, которая позволила после однократного введения достичь in vivo более 97 % ингибирования уровня одного из белков сыворотки крови. При этом такое однократное введение, несмотря на временный характер системы доставки и компонентов системы редактирования, приводило к долговременному ингибированию продолжавшемуся в течение 12 месяцев. Для доставки используют также внеклеточные везикулыHorodecka, K., & Düchler, M. (2021). CRISPR/Cas9: Principle, Applications, and Delivery through Extracellular Vesicles. International Journal of Molecular Sciences, 22(11), 6072.