Досягнення молекулярної біології: CRISPR/Cas9 у генній терапії (огляд літератури)

Олексій  Ворощук; Ольга  Яремчук

CRISPR/Cas9 забезпечує високу точність і ефективність у зміні генетичних послідовностей, що робить її важливим інструментом у генній терапії. Завдяки CRISPR/Cas9 можна коригувати мутації, видаляти патологічні гени та відновлювати функціональну здатність протеїнів. Метою цього огляду було проаналізувати можливості використання технології редагування генів для лікування онкологічних, генетичних, інфекційних захворювань у наявних дослідженнях, які опубліковані в період 2013-2024 років. У даній публікації проаналізовано застосування CRISPR/Cas9 на експериментальних моделях у терапії м’язової дистрофії Дюшена, муковісцидозу, серповидно-клітинної анемії, синдрому набутого імунодифіциту та онкологічних захворювань. При м’язовій дистрофії Дюшена редагування геному сприяє підвищенню рівня утрофіну, що компенсує дефіцит дистрофіну. При муковісцидозі CRISPR/Cas9 використовується для корекції дефектів у гені CFTR, а при терапії вірусу імунодифіциту людини – для видалення провірусної дезоксирибонуклеїнової кислоти в інфікованих клітин. Однак технологія має і певні обмеження – ризик позацільових змін у геномі, складність доставки CRISPR/Cas9 у клітини. Отже, на 2024 рік залишається необхідність подальшого вдосконалення методів застосування CRISPR/Cas9 в клінічній практиці. CRISPR/Cas9 має великий потенціал в майбутньому змінити підхід до терапії невиліковних захворювань. Практичною цінністю проведеного авторами дослідження є подання готової короткої інформації про систему CRISPR/Cas9 та грунтовний аналіз результатів її застосування при терапії різних захворювань, що дозволяє оцінити, які перспективи має ця технологія у застосуванні в майбутньому

технології редагування геному; аденоасоційовані віруси; м’язова дистрофія Дюшена; муковісцидоз; гемоглобінопатії; синдром набутого імунодифіциту людини; рак

[1] Horodecka K, Düchler M. CRISPR/Cas9: Principle, applications, and delivery through extracellular vesicles. Int J Mo. Sci. 2021;22(11):6072. DOI: 10.3390/ijms22116072

[2] Karimian A, Azizian K, Parsian H, Rafieian S, Shafiei-Irannejad V, Kheyrollah M, et al. CRISPR/Cas9 technology as a potent molecular tool for gene therapy. J Cell Physiol. 2019;234(8):12267–77. DOI: 10.1002/jcp.27972

[3] Yang H, Bailey P, Pilarsky C. CRISPR Cas9 in pancreatic cancer research. Front Cell Dev Biol. 2019;7:239. DOI: 10.3389/fcell.2019.00239

[4] Jiang H, Tang M, Xu Z, Wang Y, Li M, Zheng S, et al. CRISPR/Cas9 system and its applications in nervous system diseases. Genes Dis. 2024;11(2): 675–86. DOI: 10.1016/j.gendis.2023.03.017

[5] Wu T, Hu Y, Tang LV. Gene therapy for polygenic or complex diseases. Biomark Res. 2024;12:99. DOI: 10.1186/s40364-024-00618-5

[6] Komisarenko SV, Romaniuk SI. Prospects of genome editing using CRISPR/Cas or how to master genetic scissors. Nobel Prize in Chemistry 2020. Ukr Biochem J. 2021;93(1):113–28. DOI: 10.15407/ubj93.01.113

[7] Yang W, Yan J, Zhuang P, Ding T, Chen Y, Zhang Y, et al. Progress of delivery methods for CRISPR-Cas9. Expert Opin Drug Deliv. 2022;19(8):913–26. DOI: 10.1080/17425247.2022.2100342

[8] Burstein D, Harrington LB, Strutt SC, Probst AJ, Anantharaman K, Thomas BC, et al. New CRISPR-Cas systems from uncultivated microbes. Nature. 2017;542:237–41. DOI: 10.1038/nature21059

[9] Komor AC, Badran AH, Liu DR. CRISPR-Based technologies for the manipulation of eukaryotic genomes. Cell. 2017;169(3):559. DOI: 10.1016/j.cell.2017.04.005

[10] Jiang F, Doudna JA. CRISPR-Cas9 structures and mechanisms. Annu Rev Biophys. 2017;46:505–29. DOI: 10.1146/annurev-biophys-062215-010822

[11] Miyaoka Y, Berman JR, Cooper SB, Mayerl SJ, Chan AH, Zhang B, et al. Systematic quantification of HDR and NHEJ reveals effects of locus, nuclease, and cell type on genome-editing. Sci Rep. 2016;6:23549. DOI: 10.1038/srep23549

[12] Redman M, King A, Watson C, King D. What is CRISPR/Cas9? Arch Dis Child Educ Pract. 2016;101(4):213–5. DOI: 10.1136/archdischild-2016-310459

[13] Hsu PD, Lander ES, Zhang F. Development and applications of CRISPR-Cas9 for genome engineering. Cell. 2014;157(6):1262–78. DOI: 10.1016/j.cell.2014.05.010

[14] Xiao-Jie L, Li-Juan J, Torres-Ruiz R, Rodriguez-Perales S. CRISPR-Cas9 technology: Applications and human disease modelling. Brief Funct Genomics. 2017;16(1):4–12. DOI: 10.1093/bfgp/elw025

[15] Ceasar SA, Rajan V, Prykhozhij SV, Berman JN, Ignacimuthu S. Insert, remove or replace: A highly advanced genome editing system using CRISPR/Cas9. Biochim Biophys Acta Mol Cell Res. 2016;1863(9):2333–44. DOI: 10.1016/j.bbamcr.2016.06.009

[16] Mei Y, Wang Y, Chen H, Sun ZS, Ju XD. Recent Progress in CRISPR/Cas9 technology. J Genet Genomics. 2016;43(2):63–75. DOI: 10.1016/j.jgg.2016.01.001

[17] Shao M, Xu TR, Chen CS. The big bang of genome editing technology: Development and application of the CRISPR/Cas9 system in disease animal models. Zool Res. 2016;37(4):191–204. DOI: 10.13918/j.issn.2095-8137.2016.4.191

[18] Wang J, Quake SR. RNA-guided endonuclease provides a therapeutic strategy to cure latent herpesviridae infection. Proc Natl Acad Sci USA. 2014;111(36):13157–62. DOI: 10.1073/pnas.1410785111

[19] Khan FA, Pandupuspitasari NS, Huang CJ, Ao, Z Jamal M, Zohaib A, et al. CRISPR/Cas9 therapeutics: a cure for cancer and other genetic diseases. Oncotarget. 2016;7(32):52541–52. DOI: 10.18632/oncotarget.9646

[20] Khan FA, Pandupuspitasari NS, Huang CJ, Hao X, Zhang S. SUMOylation: A link to future therapeutics. Curr Issues Mol Biol. 2016;18(1):49–56. DOI: 10.21775/cimb.018.049

[21] Chen C, Liu Y, Rappaport AR, Kitzing T, Schultz N, Zhao Z, et al. MLL3 is a haploinsufficient 7q tumor suppressor in acute myeloid leukemia. Cancer Cell. 2014;25(5):652–65. DOI: 10.1016/j.ccr.2014.03.016

[22] Wojtal D, Kemaladewi DU, Malam Z, Abdullah S, Wong TWY, Hyatt E, et al. Spell checking nature: Versatility of CRISPR/Cas9 for developing treatments for inherited disorders. Am J Hum Genet. 2016;98(1):90–101. DOI: 10.1016/j.ajhg.2015.11.012

[23] Tabebordbar M, Zhu K, Cheng JKW, Chew WL, Widrick JJ, Yan WX, et al. In vivo gene editing in dystrophic mouse muscle and muscle stem cells. Science. 2016;351(6271):407–11. DOI: 10.1126/science.aad5177

[24] Nelson CE, Hakim CH, Ousterout DG, Thakore PI, Moreb EA, Rivera RMC, et al. In vivo genome editing improves muscle function in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy. Science. 2016;351(6271):403–7. DOI: 10.1126/science.aad5143

[25] Schwank G, Koo BK, 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

[26] Canver MC, Smith EC, Sher F, Pinello L, Sanjana NE, Shalem O, et al. BCL11A enhancer dissection by Cas9-mediated in situ saturating mutagenesis. Nature. 2015;527:192–7. DOI: 10.1038/nature15521

[27] Herrera-Carrillo E, Gao Z, Berkhout B. CRISPR therapy towards an HIV cure. Brief Funct Genomics. 2020;19(3):201–8. DOI: 10.1093/bfgp/elz021

[28] Maartens G, Celum C, Lewin SR. HIV infection: Epidemiology, pathogenesis, treatment, and prevention. Lancet. 2014;384(9939):258–71. DOI: 10.1016/S0140-6736(14)60164-1

[29] Archin NM, Sung JM, Garrido C, Soriano-Sarabia N, Margolis DM. Eradicating HIV-1 infection: Seeking to clear a persistent pathogen. Nat Rev Microbiol. 2014;12:750–64. DOI: 10.1038/nrmicro3352

[30] Swamy MN, Wu H, Shankar P. Recent advances in RNAi-based strategies for therapy and prevention of HIV-1/AIDS. Adv Drug Deliv Rev. 2016;103:174–86. DOI: 10.1016/j.addr.2016.03.005

[31] Wang L, Chen Y, Liu X, Li Z, Dai X. The application of CRISPR/Cas9 technology for cancer immunotherapy: Current status and problems. Front Oncol. 2022;11:704999. DOI: 10.3389/fonc.2021.704999

[32] Saber A, Liu B, Ebrahimi P, Haisma HJ. CRISPR/Cas9 for overcoming drug resistance in solid tumors. DARU J Pharm Sci. 2020;28:295–304. DOI: 10.1007/s40199-019-00240-z

[33] Saber MA, Biswas P, Dey D, Kaium MA, Islam MA, Tripty MIA, et al. A comprehensive review of recent advancements in cancer immunotherapy and generation of CAR T Cell by CRISPR-Cas9. Processes. 2022;10(1):16. DOI: 10.3390/pr10010016

[34] Kazemizadeh H, Kashefizadeh A. CRISPR-Cas9-mediated gene therapy in lung cancer. Clin Transl Oncol. 2023;25(5):1156–66. DOI: 10.1007/s12094-022-03039-8

[35] Ding S, Liu J, Han X, Tang M. CRISPR/Cas9-mediated genome editing in cancer therapy. Int J Mol Sci. 2023;24(22):16325. DOI: 10.3390/ijms242216325