ИММУННАЯ СИСТЕМА ПРОКАРИОТ: МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ, ПРИМЕНЕНИЕ В МИКРОБИОЛОГИИ

Система CRISPR/Cas за короткие сроки завоевала популярность среди ученых различных областей медицинских, биологических и химических наук. Данная система, кассета которой состоит из кодирующих Cas-белки генов лидерной последовательности, спейсеров и палиндромов, используется для защиты собственного генома от чужеродного генетического материала прокариоты. Сas-белки являются ключевым звеном, без которых эта система не способна выполнять свои функции. При взаимодействии с чужеродной ДНК система CRISPR/Cas проходит три этапа: иммунизацию, экспрессию и интерференцию. Иммунизация происходит при первичном контакте клетки с чужеродной ДНК с запоминанием информации об инвазивном агенте. При повторной встрече отмечается образование белкового комплекса и разрушение чужеродной ДНК. Различия в механизме процесса зависят от класса и типа системы CRISPR/Cas. Различают 2 класса системы CRISPR/Cas, которые разделены на 5 типов и 16 подтипов. Для поиска CRISPR у бактерий используются биоинформационные методы, разработаны специализированные программы. В связи с высокой эффективностью работы и простотой сборки отдельных компонентов в лабораторных условиях CRISPR/Cas стали применять для решения широкого круга задач в микробиологии, генетике, молекулярной эпидемиологии, генной инженерии, прикладной медицине и фармакологии для редактирования геномов, контроля экспрессии генов, лечения и моделирования патологических процессов, типирования микроорганизмов, определения филогенетических отношений между ними и др. Для редактирования генома эукариот хорошо зарекомендовала себя система CRISPR/Cas9 N. meningitidis. Однако эксперименты в области редактирования человеческого генома сопряжены с биоэтическими проблемами.

1. Титов, Л. П. Класификация, номенклатура и эволюция значимых для медицины бактерий / Л. П. Титов // Мед. журн. – 2006. – № 1. – С. 13–18.

2. Эволюция мира микробов и ее медицинское значение / Л. П. Титов [и др.] // Здравоохранение. – 2002. – № 8. – С. 30–35.

3. Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase sozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product / Y. Ishino [et al.] // J. of Bacteriol. – 1987. – Vol. 169, N 12. – P. 5429–5433.

4. Identification of genes that are associated with DNA repeats in prokaryotes / R. Jansen [et al.] // Mol. Microbiol. – 2002. – Vol. 43, N 6. – P. 1565–1575.

5. 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 / K. S. Makarova [et al.] // Biology Direct. – 2006. – Vol. 1. – P. 7.

6. Sontheimer, E. J. The bacterial origins of the CRISPR genome-editing revolution / E. J. Sontheimer, R. Barrangou // Human Gene Therapy. – 2015. – Vol. 26, N 7. – P. 413–424.

7. Rationally engineered Cas9 nucleases with improved specificity / I. M. Slaymaker [et al.] // Science. – 2016. – Vol. 351 (6268). – P. 84–88.

8. Barrangou, R. The roles of CRISPR-Cas systems in adaptive immunity and beyond / R. Barrangou // Curr. Opin. in Immunol. – 2015. – Vol. 32. – P. 36–41.

9. Шашникова, А. В. Строение и функциональная роль CRISPR-системы бактерий / А. В. Шашникова, А. А. Горяев, Н. И. Смирнова // Проблемы особо опасных инфекций. – 2011. – № 2 (108). – С. 49–52.

10. Bacterial CRISPR: accomplishments and prospects / J. M. Peters [et al.] // Curr. Opin. in Microbiol. – 2015. – Vol. 27. – P. 121–126.

11. RNA-guided RNA cleavage by a CRISPR RNA-Cas protein complex / C. R. Hale [et al.] // Cell. – 2009. – Vol. 139, N 5. – P. 945–956.

12. MacSyFinder: a program to mine genomes for molecular systems with an application to CRISPR-Cas systems / S. S. Abby [et al.] // PLOS ONE. – 2014. – Vol. 9, N 10. – P. 1–9.

13. Использование биоинформационных программных методов для поиска CRISPR/Cas систем в геномах штаммов Staphylococcus aureus / А. Ю. Борисенко [и др.] // Сибир. мед. журн. (Иркутск). – 2015. – Т. 133, № 2. – С. 71–74.

14. Savitskaya, E. E. Diversity of CRISPR-Cas-mediated mechanisms of adaptive immunity in prokaryotes and their application in biotechnology / E. E. Savitskaya, O. S. Musharova, K. V. Severinov // Biochemistry. – 2016. – Vol. 81, N 7. – P. 653–661.

15. Lee, C. The Neisseria meningitidis CRISPR-Cas9 System enables specific genome editing in mammalian cells / C. Lee, T. Cradick, G. Bao // Mol. Therapy. – 2016. – Vol. 24, N 3. – P. 645–654.

16. Barrangou, R. Diversity of CRISPR-Cas immune systems and molecular machines / R. Barrangou // Genome Biol. – 2015. – Vol. 16. – P. 247–257.

17. The diversity-generating benefits of a prokaryotic adaptive immune system / S. van Houte [et al.] // Nature. – 2016. – Vol. 532 (7599). – P. 385–388.

18. Programmable RNA recognition and cleavage by CRISPR/Cas9 / M. R. O’Connell [et al.] // Nature. – 2014. – Vol. 516 (7530). – P. 263–266.

19. Makarova, K. S. Annotation and classification of CRISPR-Cas systems / K. S. Makarova, E. V. Koonin // Methods in Mol. Biol. – 2015. – Vol. 1311. – P. 47–75.

20. An updated evolutionary classification of CRISPR-Cas systems / K. S. Makarova [et al.] // Nature Reviews: Microbiology. – 2015. – Vol. 13, N 11. – P. 722–736.

21. Multiple mechanisms for CRISPR-Cas inhibition by anti-CRISPR proteins / J. Bondy-Denomy [et al.] // Nature. – 2015. – Vol. 526 (7571). – P. 136–139.

22. Hilton, I. B. Genetic engineering: Chemical control for CRISPR editing / I. B. Hilton, C. A. Gersbach // Nature Chem. Biol. – 2017. – Vol. 13. – P. 2–3.

23. Sashital, D. G. Mechanism of foreign DNA selection in a bacterial adaptive immune system / D. G. Sashital, B. Wiedenheft, J. A. Doudna // Cell. – 2012. – Vol. 46. – P. 606–615.

24. Sangal, V. Novel configurations of type I and II CRISPR-Cas systems in Corynebacterium diphteriae / V. Sangal, P. C. Fineran, P. A. Hoskisson // Microbiology. – 2013. – Vol. 159. – P. 2118–2126.

25. Classification and evolution of type II CRISPR-Cas systems / K. Chylinski [et al.] // Nucl. Acids Res. – 2014. – Vol. 42, N 10. – P. 6091–6105.

26. Phylogeny of Cas9 determines functional exchangeability of dual-RNA and Cas9 among orthologous type II CRISPR-Cas systems / I. Fonfara [et al.] // Nucl. Acids Res. – 2014. – Vol. 42, N 4. – P. 2577–2590.

27. Васильева, Е. А. Применение системы направленного геномного редактирования CRISPR/Cas к плюрипотентным стволовым клеткам / Е. А. Васильева, Д. Мелино, Н. А. Барлев // Цитология. – 2015. – Т. 57, № 1. – С. 19–30.

28. Efficient genome engineering in human pluripotent stem cells using Cas9 from Neisseria meningitidis / Z. Hou [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 2013. – Vol. 110. – P. 15644–15649.

29. Merkett, S. Site-specific genome engineering in human pluripotent stem cells / S. Merkett, U. Martin // Intern. J. of Mol. Sci. – 2016. – Vol. 17 (1000). – P. 1–11.

30. Samson, J. E. The CRISPR-Cas immune system and genetic transfers: reaching an equilibrium / J. E. Samson, A. H. Magadan, S. Moineau // Microbiol. Spectrum. – 2015. – Vol. 3, N 1. – P. 209–218.

31. Precision medicine: genetic repair of retinitis pigmentosa in patient-derived stem cells / A. G. Bassuk [et al.] // Sci. Reports. – 2016. – Vol. 6.

32. Naïve induced pluripotent stem cells generated from β-thalassemia fibroblasts allow efficient gene correction with CRISPR/Cas9 / Y. Yang [et al.] // Stem Cells Translational Medicine. – 2016. – Vol. 5, N 1. – P. 8–19.

33. Goodman, M. A. CRISPR/Cas9 in allergic and immunologic diseases / M. A. Goodman, P. Malik, M. E. Rothenberg // Expert Rev. of Clin. Immunol. – 2016. – P. 1–5.

34. The application of CRISPR/Cas9 genome editing technology in cancer research / D. Wang [et al.] // Yi Chuan. – 2016. – Vol. 38, N 1. – P. 1–8.

35. Li, Y. The potential application and challenge of powerful CRISPR/Cas9 system in cardiovascular research / Y. Li, Y. H. Song, B. Liu, X. Y. Yu // Intern. J. of Cardiol. – 2016. – Vol. 9. – P. 191–193.

36. Modelling kidney disease with CRISPR-mutant kidney organoids derived from human pluripotent epiblast spheroids / B. S. Freedman [et al.] // Nature Communications. – 2015. – Vol. 6. – P. 1–13.

37. Genome editing with Cas9 in adult mice corrects a disease mutation and phenotype / H. Yin [et al.] // Nature Biotechnol. – 2014. – Vol. 32, N 6. – P. 551–553.

38. Niemann, H. The production of multi-transgenic pigs: update and perspectives for xenotransplantation / H. Niemann, B. Petersen // Transgenic Res. – 2016. – P. 1–14.

39. Schiml, S. Revolutionizing plant biology: multiple ways of genome engineering by CRISPR/Cas / S. Schiml, H. Puchta // Plant Methods. – 2016. – Vol. 12, N 8. – P. 1–9.

40. Schwartz, M. L. SapTrap, a toolkit for high-throughput CRISPR/Cas9 gene modification in Caenorhabditis elegans / M. L. Schwarz, E. M. Jorgensen // Genetics. – 2016. – Vol. 202, N 4. – P. 1277–1288.