БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 8, с. 1118–1131

УДК 577

CRISPR–Cas9: история открытия и этические аспекты применения в геномном редактировании

Обзор

© 2022 И. Гостимскаяgostimskaya@gmail.com

Манчестерский университет, M1 7DN Манчестер, Великобритания

Поступила в редакцию 11.05.2022
После доработки 07.07.2022
Принята к публикации 19.07.2022

DOI: 10.31857/S0320972522080103

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: CRISPR–Cas9, геномное редактирование, «генетические ножницы», этические аспекты.

Аннотация

Развитие метода геномного редактирования с использованием системы CRISPR–Cas9 было удостоено Нобелевской премии по химии в 2020 году, когда с момента открытия всех принципиальных молекулярных компонентов этой системы не прошло и 10 лет. Впервые в истории вручения премии её получили две женщины, Эмманюэль Шарпантье и Дженнифер Даудна, сделавшие одни из ключевых открытий в области манипулирования ДНК с помощью системы CRISPR–Cas9, так называемых «генетических ножниц». Важность этой технологии сложно переоценить, так как она позволяет не только направленно модифицировать геномы модельных организмов в научных исследованиях и изменять характеристики важных для человека растений и животных, но и несёт в себе потенциал революционных изменений в медицинской науке, в особенности в области лечения генетических заболеваний. Изначальной биологической функцией системы CRISPR–Cas9 является защита прокариот от мобильных генетических элементов, однако на момент написания данного обзора технологии, основанные на использовании CRISPR–Cas9 и родственных систем, уже успешно применялись в таких областях, как лечение опасных болезней человека, создание тестов для детекции коронавируса и даже для геномной модификации человеческих эмбрионов с последующим рождением младенцев, прошедших эту процедуру. Такое вмешательство в клетки зародышевой линии человека впоследствии вызвало широкое осуждение по причине этического аспекта данного использования технологии и даже призывы к мораторию на наследуемые геномные манипуляции. В данном обзоре рассматривается история открытия и изучения системы CRISPR–Cas9 с некоторыми современными аспектами её последующего использования, включая этические вопросы применения системы на человеке.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Благодарности

Автор с теплом и благодарностью вспоминает годы, проведённые в лаборатории Андрея Дмитриевича Виноградова на кафедре биохимии МГУ имени М.В. Ломоносова. Эксперименты, задуманные Андреем Дмитриевичем, неизменно приносили интересные результаты, а его обширнейшие знания в различных областях науки позволяли сотрудникам и студентам чувствовать уверенность в том, что на любые вопросы будут даны ответы, а время, проведённое в лаборатории, принесёт заслуженные плоды. Публикации результатов работы, проведённой под руководством Андрея Дмитриевича, дали автору необходимый старт в научной жизни и возможность продолжения проведения исследований уже в других лабораториях и в других областях знаний. Уникальная команда учёных, подобранная Андреем Дмитриевичем: Вера Георгиевна Гривенникова, Татьяна Вадимовна Жарова и Элеонора Владимировна Гаврикова, – обеспечила семейную атмосферу доверия и поддержки в лаборатории, за что автор чрезвычайно благодарна.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания выполненных автором исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Ishino, Y., Shinagawa, H., Makino, K., Amemura, M., and Nakatura, A. (1987) Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isoenzyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product, J. Bacteriol., 169, 5429-5433, doi: 10.1128/jb.169.12.5429-5433.1987.

2. Groenen, P. M., Bunschoten, A. E., van Soolingen, D., and van Embden, J. D. (1993) Nature of DNA polymorphism in the direct repeat cluster of Mycobacterium tuberculosis; application for strain differentiation by a novel typing method, Mol. Microbiol., 10, 1057-1065, doi: 10.1111/j.1365-2958.1993.tb00976.x.

3. Hoe, N., Nakashima, K., Grigsby, D., Pan, X., Dou, S. J., Naidich, S., et al.(1999) Rapid molecular genetic subtyping of serotype M1 group A Streptococcus strains, Emerg. Infect. Diseases, 5, 254-263, doi: 10.3201/eid0502.990210.

4. Mojica, F. J. M., Juez, G., and Rodriguez‐Valera, F. (1993) Transcription at different salinities of Haloferax mediterranei sequences adjacent to partially modified PstI sites, Mol. Microbiol., 9, 613-621, doi: 10.1111/j.1365-2958.1993.tb01721.x.

5. Mojica, F. J. M., Díez-Villaseñor, C., García-Martínez, J., and Soria, E. (2005) Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements, J. Mol. Evol., 60, 174-182, doi: 10.1007/s00239-004-0046-3.

6. Bolotin, A., Quinquis, B., Sorokin, A., and Dusko Ehrlich, S. (2005) Clustered regularly interspaced short palindrome repeats (CRISPRs) have spacers of extrachromosomal origin, Microbiology, 151, 2551-2561, doi: 10.1099/mic.0.28048-0.

7. Pourcel, C., Salvignol, G., and Vergnaud, G. (2005) CRISPR elements in Yersinia pestis acquire new repeats by preferential uptake of bacteriophage DNA, and provide additional tools for evolutionary studies, Microbiology, 151, 653-663, doi: 10.1099/mic.0.27437-0.

8. Popkov, V. A., Zorova, L. D., Korvigo, I. O., Silachev, D. N., Jankauskas, S. S., et al. (2016) Do mitochondria have an immune system? Biochemistry (Moscow), 81, 1229-1236, doi: 10.1134/S0006297916100217.

9. Isaev, A. B., Musharova, O. S., and Severinov, K. V. (2021) Microbial arsenal of antiviral defenses. Part I, Biochemistry (Moscow), 86, 319-337, doi: 10.1134/S0006297921030081.

10. Isaev, A. B., Musharova, O. S., and Severinov, K. V. (2021) Microbial arsenal of antiviral defenses. Part II, Biochemistry (Moscow), 86, 449-470, doi: 10.1134/S0006297921040064.

11. Marraffini, L. A., and Sontheimer, E. J. (2008) CRISPR interference limits horizontal gene transfer in staphylococci by targeting DNA, Science, 322, 1843-1845, doi: 10.1126/science.1165771.

12. Shmakov, S., Abudayyeh, O. O., Makarova, K. S., Wolf, Y. I., Gootenberg, J. S., et al. (2015) Discovery and functional characterization of diverse class 2 CRISPR–Cas systems, Mol. Cell, 60, 385-397, doi: 10.1016/j.molcel.2015.10.008.

13. Shmakov, S., Smargon, A., Scott, D., Cox, D., Pyzocha, N., V. et al. (2017) Diversity and evolution of class 2 CRISPR–Cas systems, Nat. Rev. Microbiol., 15, 169-182, doi: 10.1038/nrmicro.2016.184.

14. Abudayyeh, O. O., Gootenberg, J. S., Konermann, S., Joung, J., Slaymaker, I. M., et al. (2016) C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector, Science, 353, aaf5573-aaf5573, doi: 10.1126/science.aaf5573.

15. Abudayyeh, O. O., Gootenberg, J. S., Essletzbichler, P., Han, S., Joung, J., et al. (2017) RNA targeting with CRISPR–Cas13, Nature, 550, 280-284, doi: 10.1038/nature24049.

16. Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., et al. (2007) CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes, Science, 315, 1709-1712.

17. Horvath, P., Barrangou, R., Fremaux, C., Boyaval, P., and Romero, D. (2007) Use of a Cas Gene in Combination with CRISPR Repeats for Modulating Resistance in a Cell. US Patent Application No. PCT/US2006/033167 (initially filed on 26.08.2005).

18. Isaacson, W. (2021) The Code Breaker: Jennifer Doudna, Gene Editing, and the Future of the Human Race, Simon & Schuster (New York, USA).

19. Masepohl, B., Görlitz, K., and Böhme, H. (1996) Long tandemly repeated repetitive (LTRR) sequences in the filamentous cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120, Biochim. Biophys. Acta Gene Struct. Expr., 1307, 26-30, doi: 10.1016/0167-4781(96)00040-1.

20. Flamand, M.-C., Goblet, J.-P., Duc, G., Briquet, M., and Boutry, M. (1992) Sequence and transcription analysis of mitochondrial plasmids isolated from cytoplasmic male-sterile lines of Vicia faba, Plant Mol. Biol., 19, 913-923.

21. Mojica, F. J. M., Díez-Villaseñor, C., Soria, E., and Juez, G. (2000) Biological significance of a family of regularly spaced repeats in the genomes of Archaea, Bacteria and mitochondria, Mol. Microbiol., 36, 244-246, doi: 10.1046/j.1365-2958.2000.01838.x.

22. Jansen, R., van Embden, J. D. A., Gaastra, W., and Schouls, L. M. (2002) Identification of genes that are associated with DNA repeats in prokaryotes, Mol. Microbiol., 43, 1565-1575, doi: 10.1046/j.1365-2958.2002.02839.x.

23. Makarova, K. S., Aravind, L., Grishin, N. V., Rogozin, I. B., and Koonin, E. V. (2002) A DNA repair system specific for thermophilic Archaea and bacteria predicted by genomic context analysis, Nucleic Acids Res., 30, 482-496, doi: 10.1093/nar/30.2.482.

24. Shmakov, S. A., Makarova, K. S., Wolf, Y. I., Severinov, K. V., and Koonin, E. V. (2018) Systematic prediction of genes functionally linked to CRISPR–Cas systems by gene neighborhood analysis, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 115, E5307-E5316, doi: 10.1073/pnas.1803440115.

25. Makarova, K. S., Wolf, Y. I., Iranzo, J., Shmakov, S. A., Alkhnbashi, O. S., et al. (2020) Evolutionary classification of CRISPR–Cas systems: a burst of class 2 and derived variants, Nat. Rev. Microbiol., 18, 67-83, doi: 10.1038/s41579-019-0299-x.

26. Makarova, K. S., Wolf, Y. I., and Koonin, E. V. (2013) The basic building blocks and evolution of CRISPR–Cas systems, Biochem. Soc. Trans., 41, 1392-1400, doi: 10.1042/BST20130038.

27. Koonin, E. V., Makarova, K. S., and Zhang, F. (2017) Diversity, classification and evolution of CRISPR–Cas systems, Curr. Opin. Microbiol., 37, 67-78, doi: 10.1016/j.mib.2017.05.008.

28. Koonin, E. V., and Makarova, K. S. (2019) Origins and evolution of CRISPR–Cas systems, Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci., 374, 20180087-20180087, doi: 10.1098/rstb.2018.0087.

29. Mojica, F. J. M., Díez-Villaseñor, C., García-Martínez, J., and Almendros, C. (2009) Short motif sequences determine the targets of the prokaryotic CRISPR defence system, Microbiology, 155, 733-740, doi: 10.1099/mic.0.023960-0.

30. Brouns, S. J. J., Jore, M. M., Lundgren, M., Westra, E. R., Slijkhuis, R. J., et al. (2008) Small CRISPR RNAs guide antiviral defense in prokaryotes, Science, 321, 960-964, doi: 10.1126/science.1159689.

31. Gasiunas, G., Barrangou, R., Horvath, P., and Siksnys, V. (2012) Cas9–crRNA ribonucleoprotein complex mediates specific DNA cleavage for adaptive immunity in bacteria, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109, E2579-E2586, doi: 10.1073/pnas.1208507109.

32. Deltcheva, E., Chylinski, K., Sharma, C. M., Gonzales, K., Chao, Y., et al. (2011) CRISPR RNA maturation by trans-encoded small RNA and host factor RNase III, Nature, 471, 602-607, doi: 10.1038/nature09886.

33. Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., et al. (2012) A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity, Science, 337, 816-821, doi: 10.1126/science.1225829.

34. Mali, P., Yang, L., Esvelt, K. M., Aach, J., Guell, M., et al. (2013) RNA-guided human genome engineering via Cas9, Science, 339, 823-826, doi: 10.1126/science.1232033.

35. Cong, L., Ran, F. A., Cox, D., Lin, S., Barretto, R., et al. (2013) Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systems, Science, 339, 819-823, doi: 10.1126/science.1231143.

36. Jinek, M., East, A., Cheng, A., Lin, S., Ma, E., and Doudna, J. (2013) RNA-programmed genome editing in human cells, eLife, 2, 1-9, doi: 10.7554/eLife.00471.

37. Cho, S. W., Kim, S., Kim, J. M., and Kim, J. S. (2013) Targeted genome engineering in human cells with the Cas9 RNA-guided endonuclease, Nat. Biotechnol., 31, 230-232, doi: 10.1038/nbt.2507.

38. Hwang, W. Y., Fu, Y., Reyon, D., Maeder, M. L., Tsai, S. Q., et al. (2013) Efficient genome editing in zebrafish using a CRISPR–Cas system, Nat. Biotechnol., 31, 227-229, doi: 10.1038/nbt.2501.

39. Jinek, M., Jiang, F., Taylor, D. W., Sternberg, S. H., Kaya, E., et al. (2014) Structures of Cas9 endonucleases reveal RNA-mediated conformational activation, Science, 343, 1247997-1247997, doi: 10.1126/science.1247997.

40. Nishimasu, H., Ran, F. A., Hsu, P. D., Konermann, S., Shehata, S. I., et al. (2014) Crystal structure of Cas9 in complex with guide RNA and target DNA, Cell, 156, 935-949, doi: 10.1016/j.cell.2014.02.001.

41. Jiang, F., Taylor, D. W., Chen, J. S., Kornfeld, J. E., Zhou, K., et al. (2016) Structures of a CRISPR–Cas9 R-loop complex primed for DNA cleavage, Science, 351, 867-871, doi: 10.1126/science.aad8282.

42. Jinek, M., Doudna, J., Charpentier, E., and Chylinski, K. (2013) Methods and Composition for RNA-Directed Target DNA Modification and for RNA-Directed Modulation of Transcription. US Patent Application No. 61/652,086 (initially filed on 25.05.2012).

43. Zhang, F. (2014) CRISPR–Cas9 Systems and Methods for Altering Expression of Gene Products. US Patent No. 8,697,359 (provisional application No. 61/736,527 filed on 12.12.2012).

44. Baylis, F., Darnovsky, M., Hasson, K., and Krahn, T. M. (2020) Human germline and heritable genome editing: the global policy landscape, CRISPR J., 3, 365-377, doi: 10.1089/crispr.2020.0082.

45. Stolberg, S. G. (1999) The biotech death of Jesse Gelsinger, New York Times Magazine, 136-150.

46. Baltimore, D., Berg, P., Botchan, M., Carroll, D., Charo, R. A., et al. (2015) A prudent path forward for genomic engineering and germline gene modification, Science, 348, 36-38, doi: 10.1126/science.aab1028.

47. Lanphier, E., Urnov, F., Haecker, S. E., Werner, M., et al. (2015) Don’t edit the human germ line, Nature, 519, 410-411, doi: 10.1038/519410a.

48. Liang, P., Xu, Y., Zhang, X., Ding, C., Huang, R., et al. (2015) CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human tripronuclear zygotes, Protein Cell, 6, 363-372, doi: 10.1007/s13238-015-0153-5.

49. Cyranoski, D., and Reardon, S. (2015) Embryo editing sparks epic debate, Nature, 520, 593-594, doi: 10.1038/520593a.

50. He, J., and Deem, M. W. (2010) Heterogeneous diversity of spacers within CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats), Phys. Rev. Lett., 105, 128102, doi: 10.1103/PhysRevLett.105.128102.

51. He, J., and Deem, M. W. (2010) Low-dimensional clustering detects incipient dominant influenza strain clusters, PEDS, 23, 935-946, doi: 10.1093/protein/gzq078.

52. Cyranoski, D. (2016) Direct genomics revives Helicos sequencing system for China’s hospitals, Nat. Biotechnol., 34, 122-123, doi: 10.1038/nbt0216-122b.

53. Kirksey, E. (2021) The Mutant Project. Inside the Global Race to Genetically Modify Humans, Bristol University Press, U.K.

54. Regalado, A. (2019) China’s CRISPR babies: read exclusive excerpts from the unseen original research, MIT Technology Review. Biotechnology.

55. Regalado, A. (2019) Why the paper on the CRISPR babies stayed secret for so long, MIT Technology Review. Biotechnology.

56. Musunuru, K. (2019) The CRISPR Generation: The Story of the World’s First Gene-Edited Babies, BookBaby, N.J., U.S.A.

57. Regalado, A. (2022) The creator of the CRISPR babies has been released from a Chinese prison, MIT Technology Review. Biotechnology.

58. Cyranoski, D. (2019) Russian biologist plans more CRISPR-edited babies, Nature, 570, 145-146, doi: 10.1038/d41586-019-01770-x.

59. Kodyleva, T. A., Kirillova, A. O., Tyschik, E. A., Makarov, V. V., Khromov, A. V., et al. (2018) The efficacy of CRISPR-Cas9-mediated induction of the CCR5delta32 mutation in the human embryo, Bull. RSMU, 4, 70-74, doi: 10.24075/brsmu.2018.052.

60. Cohen, J. (2019) Embattled Russian scientist sharpens plans to create gene-edited babies, Science. News., doi: 10.1126/science.aaz9337.

61. Cyranoski, D. (2019) Russian “CRISPR-baby” scientist has started editing genes in human eggs with goal of altering deaf gene, Nature, 574, 465-466, doi: 10.1038/d41586-019-03018-0.

62. Meyer, M. (2020) The CRISPR babies controversy: responsibility and regulation in the spotlight, EMBO Rep., 21, e50307, doi: 10.15252/embr.202050307.

63. Smalley, E. (2017) First AAV gene therapy poised for landmark approval, Nat. Biotechnol., 35, 998-999, doi: 10.1038/nbt1117-998.

64. Porteus, M. H. (2019) A new class of medicines through DNA editing, N. Engl. J. Med., 380, 947-959, doi: 10.1056/NEJMra1800729.

65. Cyranoski, D. (2016) CRISPR gene-editing tested in a person for the first time, Nature, 539, 479-479, doi: 10.1038/nature.2016.20988.

66. Editorial (2019) Gene therapy’s next installment, Nat. Biotechnol., 37, 697-697, doi: 10.1038/s41587-019-0194-z.

67. Ledford, H. (2020) CRISPR treatment inserted directly into the body for first time, Nature, 579, 185, doi: 10.1038/d41586-020-00655-8.

68. Chertow, D. S. (2018) Next-generation diagnostics with CRISPR, Science, 360, 381-382, doi: 10.1126/science.aat4982.

69. Remmel, A. (2021) Neanderthal-like “mini-brains” created in lab with CRISPR, Nature, 590, 376-377, doi: 10.1038/d41586-021-00388-2.