Craspase: een nieuw, veiliger "CRISPR - Cas-systeem" dat zowel genen als eiwitten bewerkt  

CRISPR-Cas-systemen in bacteriën en virussen identificeren en vernietigen binnendringende virale sequenties. Het is een bacterieel en archaeaal immuunsysteem dat bescherming biedt tegen virale infecties. In 2012 werd het CRISPR-Cas-systeem erkend als een hulpmiddel voor genoomeditie . Sindsdien is een breed scala aan CRISPR-Cas-systemen ontwikkeld en toegepast op gebieden zoals gentherapie, diagnostiek, onderzoek en gewasverbetering. De momenteel beschikbare CRISPR-Cas-systemen hebben echter een beperkt klinisch gebruik vanwege frequente ongewenste bewerkingen, onverwachte DNA-mutaties en erfelijke problemen. Onderzoekers hebben onlangs een nieuw CRISPR-Cas-systeem gerapporteerd dat mRNA en eiwitten die geassocieerd zijn met verschillende genetische ziekten nauwkeuriger kan targeten en vernietigen, zonder ongewenste effecten en erfelijke problemen. Dit systeem, genaamd Craspase, is het eerste CRISPR-Cas-systeem dat een eiwitbewerkingsfunctie vertoont . Het is tevens het eerste systeem dat zowel RNA als eiwitten kan bewerken . Omdat Craspase veel beperkingen van bestaande CRISPR-Cas-systemen overwint, heeft het de potentie om gentherapie, diagnostiek en monitoring, biomedisch onderzoek en gewasverbetering radicaal te veranderen.

Het CRISPR-Cas-systeem is een natuurlijk immuunsysteem van bacteriën en archaea tegen virale infecties. Het identificeert, bindt en breekt de sequenties in het virale gen af ​​om bescherming te bieden. Het bestaat uit twee delen: bacterieel RNA, getranscribeerd van het virale gen en opgenomen in het bacteriële genoom na de eerste infectie (dit wordt CRISPR genoemd en identificeert de doelsequenties van de binnendringende virale genen), en een geassocieerd vernietigend eiwit , het CRISPR-geassocieerde eiwit (Cas), dat de geïdentificeerde sequenties in het virale gen bindt en afbreekt om de bacterie tegen virussen te beschermen.

CRISPER staat voor "clustered regularly interspaced short palindromic repeats" (geclusterde, regelmatig onderbroken korte palindromische herhalingen). Het is getranscribeerd bacterieel RNA dat gekenmerkt wordt door palindromische herhalingen.

Palindromische herhalingen (CRISPR's) werden voor het eerst ontdekt in de sequenties van E. coli in 1987. In 1995 observeerde Francisco Mojica vergelijkbare structuren in archaea, en hij was de eerste die deze beschouwde als onderdeel van het immuunsysteem van bacteriën en archaea. In 2008 werd experimenteel voor het eerst aangetoond dat het doelwit van het immuunsysteem van bacteriën en archaea vreemd DNA was en niet mRNA. Het mechanisme van identificatie en afbraak van virale sequenties suggereerde dat dergelijke systemen gebruikt zouden kunnen worden als een hulpmiddel voor genbewerking . Sinds de erkenning als hulpmiddel voor genbewerking in 2012 heeft het CRISPR-Cas-systeem een ​​lange weg afgelegd als een stevig gevestigd standaardsysteem voor genbewerking en heeft het een breed scala aan toepassingen gevonden in de biomedische sector, de landbouw en de farmaceutische industrie, waaronder in klinische gentherapie ^1,2.

Er is al een breed scala aan CRISPR -Cas-systemen geïdentificeerd en momenteel beschikbaar voor het monitoren en bewerken van DNA/RNA-sequenties voor onderzoek, geneesmiddelenscreening, diagnostiek en behandelingen. De huidige CRISPR/Cas-systemen zijn onderverdeeld in twee klassen (Klasse 1 en 2) en zes typen (Type I tot en met XI). Klasse 1-systemen hebben meerdere Cas- eiwitten die een functioneel complex moeten vormen om zich aan hun doelwitten te binden en erop in te werken. Klasse 2-systemen daarentegen hebben slechts één groot Cas- eiwit voor het binden aan en afbreken van doelwitsequenties, waardoor Klasse 2-systemen gemakkelijker te gebruiken zijn. Veelgebruikte Klasse 2-systemen zijn Cas 9 Type II, Cas13 Type VI en Cas12 Type V. Deze systemen kunnen ongewenste neveneffecten hebben, zoals off-target effecten en cytotoxiciteit ^3,5.

Gentherapieën gebaseerd op de huidige CRISPR-Cas-systemen hebben een beperkte klinische toepassing vanwege het veelvuldig voorkomen van ongewenste bewerkingen buiten het beoogde doelgebied, onverwachte DNA-mutaties, waaronder grote DNA-fragmentverwijderingen en grote structurele DNA-varianten op zowel beoogde als niet-beoogde locaties, wat leidt tot celdood en andere erfelijke problemen.

Craspase (of CRISPR-geleide caspase)  

Onderzoekers hebben onlangs een nieuw CRISPR-Cas-systeem beschreven, een Klasse 2 Type III-E Cas7-11-systeem geassocieerd met een caspase-achtig eiwit, vandaar de naam Craspase of CRISPR-geleide caspase ⁵ (Caspasen zijn cysteïne-proteasen die een sleutelrol spelen bij apoptose door de afbraak van celstructuren). Het systeem heeft potentiële toepassingen op gebieden zoals gentherapie en diagnostiek. Craspase is RNA-geleid en RNA-gericht en bemoeit zich niet met DNA-sequenties. Het kan mRNA en eiwitten die geassocieerd zijn met verschillende genetische ziekten nauwkeuriger targeten en vernietigen zonder off-target effecten. Eliminatie van ziektegerelateerde genen is dus mogelijk door splitsing op mRNA- of eiwitniveau. Bovendien kan Craspase, in combinatie met een specifiek enzym, ook worden gebruikt om de functies van eiwitten te modificeren. Wanneer de RNase- en proteasefuncties worden verwijderd, wordt Craspase gedeactiveerd (dCraspase). Het heeft dan geen knipfunctie meer, maar bindt zich aan RNA- en eiwitsequenties. Daarom kan dCraspase worden gebruikt in diagnostiek en beeldvorming om ziekten of virussen te monitoren en te diagnosticeren.

Craspase is het eerste CRISPR-Cas-systeem dat een eiwitbewerkingsfunctie vertoont. Het is ook het eerste systeem dat zowel RNA als eiwitten kan bewerken. De genbewerkingsfunctie heeft minimale neveneffecten en geen erfelijke problemen. Daarom is Craspase waarschijnlijk veiliger voor klinisch gebruik en therapieën dan andere momenteel beschikbare CRISPR-Cas-systemen ^4,5.

Omdat Craspase veel beperkingen van bestaande CRISPR-Cas-systemen overwint, heeft het de potentie om een ​​revolutie teweeg te brengen in gentherapie, diagnostiek en monitoring, biomedisch onderzoek en gewasverbetering. Er is meer onderzoek nodig om een ​​betrouwbaar toedieningssysteem te ontwikkelen dat zich precies richt op ziekteverwekkende genen in de cellen voordat de veiligheid en werkzaamheid in klinische onderzoeken kunnen worden aangetoond.   

*** 

Referenties:  

1. Gostimskaya, I. CRISPR-Cas9: een geschiedenis van zijn ontdekking en ethische overwegingen bij het gebruik ervan bij genoombewerking. Biochemie Moskou 87, 777-788 (2022). https://doi.org/10.1134/S0006297922080090  

2. Chao Li c.s. 2022. Computationele hulpmiddelen en bronnen voor CRISPR/Cas-genoombewerking. Genomica, proteomica en bio-informatica. Online beschikbaar op 24 maart 2022. DOI: https://doi.org/10.1016/j.gpb.2022.02.006 

3. van Beljouw, SPB, Sanders, J., Rodríguez-Molina, A. et al. RNA-gerichte CRISPR-Cas-systemen. Nat Rev Microbiol 21, 21-34 (2023). https://doi.org/10.1038/s41579-022-00793-y 

4. Chunyi Hu c.s. 2022. Craspase is een CRISPR RNA-geleide, RNA-geactiveerde protease. Wetenschap. 25 augustus 2022. Vol 377, uitgave 6612. blz. 1278-1285. DOI: https://doi.org/10.1126/science.add5064  

5. Huo, G., Shepherd, J. & Pan, X. Craspase: een nieuwe CRISPR/Cas-editor voor twee genen. Functionele en integratieve genomica 23, 98 (2023). Gepubliceerd: 23 maart 2023. DOI: https://doi.org/10.1007/s10142-023-01024-0 

***