Перспективы применения системы CRISPR-Cas9 в лечении вирусных заболеваний человека

Цель данной статьи – провести анализ возможности применения генетических механизмов технологии CRISPR-Cas9 в профилактике и лечении некоторых вирусных заболеваний.

Материалы и методы. Поиск публикаций проводился в российской и зарубежной литературе в следующих поисковых системах: РИНЦ, Сyberleninka, eLibrary, PubMed, библиотека Cochrane и др. Проведён обзор отечественных и международных научных работ по теме исследования с использованием поисковых ключевых слов: CRISPR, генная инженерия, редактирование генома, Cas9, sgRNA.

Результаты. Проведён обзор использования метода CRISPR-Cas9 («генетических ножниц») в качестве генной терапии некоторых вирусных заболеваний, раскрыты его основные преимущества и недостатки. Анализ данных научных исследований в сфере генетических методов исследования за последнее десятилетие раскрывает основные аспекты технологии CRISPR-Cas9, современную классификацию и перспективы применения данной технологии в клинической практике с целью терапии и профилактики вирусных заболеваний человека. Рассматриваются возможности создания более многофункциональной и стабильной версии технологии CRISPR-Cas9. Особое внимание уделяется технологическим сложностям и препятствиям, которые встают перед учёными при внедрении данной системы для целевого применения в клинической медицине.

Заключение. Открытие «генетических ножниц» произвело революцию во всей медицине. Перед медицинским сообществом открылись широкие возможности для создания новых методов лечения множества вирусных заболеваний и создания условий для ранней профилактики. В перспективе при внедрении данной технологии в клиническую практику станет возможной терапия нозологий, ранее не отвечавших на проводимую терапию и считавшихся неизлечимыми. 

1. Зиганшин А.М., Мулюков А.Р. Механизмы иммунопатологии сепсиса вирусной этиологии при COVID-19. Сибирское медицинское обозрение. 2021; (6): 35-43. doi: 10.20333/25000136-2021-6-35-43

2. Bellizzi A, Ahye N, Jalagadugula G, Wollebo HS. A broad application of CRISPR Cas9 in infectious diseases of central nervous system. J Neuroimmune Pharmacol. 2019; 14(4): 578-594. doi: 10.1007/s11481-019-09878-7

3. Ishino Y, Krupovic M, Forterre P. History of CRISPR-Cas from encounter with a mysterious repeated sequence to genome editing technology. J Bacteriol. 2018; 200(7): e00580-17. doi: 10.1128/JB.00580-17

4. Makarova KS, Grishin NV, Shabalina SA, Wolf YI, Koonin EV. A putative RNA-interference-based immune system in prokaryotes: Computational analysis of the predicted enzymatic machinery, functional analogies with eukaryotic RNAi, and hypothetical mechanisms of action. Biol Direct. 2006; 1: 7. doi: 10.1186/1745-6150-1-7

5. Barrangou R, Doudna JA. Applications of CRISPR technologies in research and beyond. Nature Biotechnol. 2016; 34(9): 933- 941. doi: 10.1038/nbt.3659

6. Bollen Y, Post J, Koo BK, Snippert HJG. How to create state-of-the-art genetic model systems: Strategies for optimal CRISPR-mediated genome editing. Nucleic Acids Res. 2018; 46(13): 6435-6454. doi: 10.1093/nar/gky571

7. Zhuo C, Zhang J, Lee JH, Jiao J, Cheng D, Liu L, et al. Spatiotemporal control of CRISPR/Cas9 gene editing. Signal Transduct Target Ther. 2021; 6(1): 238. doi: 10.1038/s41392-021-00645-w

8. Chen S, Lee B, Lee AY, Modzelewski AJ, He L. Highly efficient mouse genome editing by CRISPR ribonucleoprotein electroporation of zygotes. J Biol Chem. 2016; 291(28): 14457-14467. doi: 10.1074/jbc.M116.733154

9. Tong S, Moyo B, Lee CM, Leong K, Bao G. Engineered materials for in vivo delivery of genome-editing machinery. Nat Rev Mater. 2019; 4: 726-737. doi: 10.1038/s41578-019-0145-9

10. D’Agostino Y, D’Aniello S. Molecular basis, applications and challenges of CRISPR/Cas9: A continuously evolving tool for genome editing. Brief Funct Genomics. 2017; 16(4): 211-216. doi: 10.1093/bfgp/elw038

11. Chu VT, Weber T, Wefers B, Wurst W, Sander S, Rajewsky K, et al. Increasing the efficiency of homology-directed repair for CRISPR-Cas9-induced precise gene editing in mammalian cells. Nature Biotechnol. 2015; 33(5): 543-548. doi: 10.1038/nbt.3198

12. Makarova KS, Wolf YI, Iranzo J, Shmakov SA, Alkhnbashi OS, Brouns SJJ, et al. Evolutionary classification of CRISPR-Cas systems: A burst of class 2 and derived variants. Nat Rev Microbiol. 2020; 18(2): 67-83. doi: 10.1038/s41579-019-0299-x

13. Chen JS, Dagdas YS, Kleinstiver BP, Welch MM, Sousa AA, Harrington LB, et al. Enhanced proofreading governs CRISPR-Cas9 targeting accuracy. Nature. 2017; 550(7676): 407-410. doi: 10.1038/nature24268

14. Crystal RG. Adenovirus: The first effective in vivo gene delivery vector. Hum Gene Ther. 2014; 25(1): 3-11. doi: 10.1089/hum.2013.2527

15. Charlesworth CT, Deshpande PS, Dever DP, Camarena J, Lemgart VT, Cromer MK, et al. Identification of preexisting adaptive immunity to Cas9 proteins in humans. Nature Med. 2019; 25(2): 249-254. doi: 10.1038/s41591-018-0326-x

16. Fu Y, Foden JA, Khayter C, Maeder ML, Reyon D, Joung JK, et al. High-frequency off-target mutagenesis induced by CRISPRCas nucleases in human cells. Nat Biotechnol. 2013; 31(9): 822-826. doi: 10.1038/nbt.2623

17. Maartens G, Celum C, Lewin SR. HIV infection: Epidemiology, pathogenesis, treatment, and prevention. Lancet. 2014; 384(9939): 258-271. doi: 10.1016/S0140-6736(14)60164-1

18. Bialek JK, Dunay GA, Voges M, Schäfer C, Spohn M, Stucka R, et al. Targeted HIV-1 latency reversal using CRISPR/Cas9- derived transcriptional activator systems. PLoS One. 2016; 11(6): e0158294. doi: 10.1371/journal.pone.0158294

19. Ebina H, Misawa N, Kanemura Y, Koyanagi Y. Harnessing the CRISPR/Cas9 system to disrupt latent HIV-1 provirus. Sci Rep. 2013; 3: 2510. doi: 10.1038/srep02510

20. Darcis G, Das AT, Berkhout B. Tackling HIV persistence: Pharmacological versus CRISPR-based shock strategies. Viruses. 2018; 10(4): 157. doi: 10.3390/v10040157

21. Dash PK, Kaminski R, Bella R, Su H, Mathews S, Ahooyi TM, et al. Sequential LASER ART and CRISPR treatments eliminate HIV-1 in a subset of infected humanized mice. Nat Commun. 2019; 10(1): 2753. doi: 10.1038/s41467-019-10366-y

22. Bella R, Kaminski R, Mancuso P, Young WB, Chen C, Sariyer R, et al. Removal of HIV DNA by CRISPR from patient blood engrafts in humanized mice. Mol Ther Nucleic Acids. 2018; 12: 275- 282. doi: 10.1016/j.omtn.2018.05.021

23. Cheng R, Peng J, Yan Y, Cao P, Wang J, Qiu C, et al. Efficient gene editing in adult mouse livers via adenoviral delivery of CRISPR/Cas9. FEBS Lett. 2014; 588(21): 3954-3958. doi: 10.1016/j.febslet.2014.09.008

24. Herrera-Carrillo E, Berkhout B. Attacking HIV-1 RNA versus DNA by sequence-specific approaches: RNAi versus CRISPR-Cas. Biochem Soc Trans. 2016; 44(5): 1355-1365. doi: 10.1042/BST20160060

25. Badia R, Ballana E, Castellví M, García-Vidal E, Pujantell M, Clotet B, et al. CD32 expression is associated to T-cell activation and is not a marker of the HIV-1 reservoir. Nature Communications. 2018; 9(1): 2739. doi: 10.1038/s41467-018-05157-w

26. Dufour C, Claudel A, Joubarne N, Merindol N, Maisonnet T, Masroori N, et al. Editing of the human TRIM5 gene to introduce mutations with the potential to inhibit HIV-1. PLoS One. 2018; 13(1): e0191709. doi: 10.1371/journal.pone.0191709

27. Bogerd HP, Kornepati AV, Marshall JB, Kennedy EM, Cullen BR. Specific induction of endogenous viral restriction factors using CRISPR/Cas-derived transcriptional activators. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015; 112(52): E7249- E7256. doi: 10.1073/pnas.1516305112

28. Chou YY, Krupp A, Kaynor C, Gaudin R, Ma M, Cahir-McFarland E, et al. Inhibition of JCPyV infection mediated by targeted viral genome editing using CRISPR/Cas9. Sci Rep. 2016; 6: 36921. doi: 10.1038/srep36921

29. Wollebo HS, Bellizzi A, Kaminski R, Hu W, White MK, Khalili K. CRISPR/Cas9 system as an agent for eliminating polyomavirus JC infection. PLoS One. 2015; 10(9): e0136046. doi: 10.1371/journal.pone.0136046

30. Bloom K, Maepa MB, Ely A, Arbuthnot P. Gene therapy for chronic HBV – Can we eliminate cccDNA? Genes (Basel). 2018; 9(4): 207. doi: 10.3390/genes9040207

31. Chang J, Guo JT. Treatment of chronic hepatitis B with pattern recognition receptor agonists: Current status and potential for a cure. Antiviral Res. 2015; 121: 152-159. doi: 10.1016/j.antiviral.2015.07.006

32. Dong C, Qu L, Wang H, Wei L, Dong Y, Xiong S. Targeting hepatitis B virus cccDNA by CRISPR/Cas9 nuclease efficiently inhibits viral replication. Antiviral Res. 2015; 118: 110-117. doi: 10.1016/j.antiviral.2015.03.015

33. Chen YC, Sheng J, Trang P, Liu F. Potential application of the CRISPR/Cas9 system against herpesvirus infections. Viruses. 2018; 10(6): 291. doi: 10.3390/v10060291

34. Itzhaki RF. Corroboration of a major role for herpes simplex virus type 1 in Alzheimer’s disease. Front Aging Neurosci. 2018; 10: 324. doi: 10.3389/fnagi.2018.00324

35. Cohen JI, Fauci AS, Varmus H, Nabel GJ. Epstein – Barr virus: An important vaccine target for cancer prevention. Sci Transl Med. 2011; 3(107): 107fs7. doi: 10.1126/scitranslmed.3002878

36. Gergen J, Coulon F, Creneguy A, Elain-Duret N, Gutierrez A, Pinkenburg O, et al. Multiplex CRISPR/Cas9 system impairs HCMV replication by excising an essential viral gene. PLoS One. 2018; 13(2): e0192602. doi: 10.1371/journal.pone.0192602

37. Gravitt PE. Evidence and impact of human papillomavirus latency. Open Virol J. 2012; 6: 198-203. doi: 10.2174/1874357901206010198

38. Hu Z, Yu L, Zhu D, Ding W, Wang X, Zhang C, et al. Disruption of HPV16-E7 by CRISPR/Cas system induces apoptosis and growth inhibition in HPV16 positive human cervical cancer cells. Biomed Res Int. 2014: 612823. doi: 10.1155/2014/612823