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 voor bescherming tegen virale infecties. In 2012 werd het CRISPR-Cas-systeem erkend als een hulpmiddel voor het bewerken van het genoom. Sindsdien is een breed scala aan CRISPR-Cas-systemen ontwikkeld en hebben ze toepassingen gevonden op gebieden als gentherapie, diagnostiek, onderzoek en gewasverbetering. De momenteel verkrijgbare CRISPR-Cas-systemen hebben echter beperkt klinisch gebruik vanwege frequente off-target bewerkingen, onverwachte DNA-mutaties en erfelijke problemen. Onderzoekers hebben onlangs een nieuw CRISPR-Cas-systeem gerapporteerd dat mRNA en eiwitten geassocieerd met verschillende genetische ziekten nauwkeuriger kan richten en vernietigen zonder off-target impact en erfelijke problemen. Het heet Craspase en is het eerste CRISPR-Cas-systeem dat de functie voor het bewerken van eiwitten laat zien. Het is ook het eerste systeem dat zowel RNA als eiwit kan bewerken. 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. 

"CRISPR-Cas-systeem" is het natuurlijke immuunsysteem van bacteriën en archaea tegen virale infecties dat de sequenties in het virale gen identificeert, bindt en afbreekt om te beschermen. Het bestaat uit twee delen: bacterieel RNA getranscribeerd van het virale gen dat na de eerste infectie in het bacteriële genoom is opgenomen (CRISPR genaamd, dit identificeert de doelsequenties van de binnendringende virale genen) en een geassocieerd vernietigend eiwit genaamd "CRISPR-geassocieerd eiwit (Cas)". die de geïdentificeerde sequenties in het virale gen bindt en afbreekt om de bacteriën tegen virussen te beschermen.  

CRISPER staat voor "clustered regular interspaced short palindromic repeats". Het is getranscribeerd bacterieel RNA dat wordt gekenmerkt door palindroomherhalingen.  

Palindroomherhalingen (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 het die deze voor het eerst beschouwde als een onderdeel van het immuunsysteem van bacteriën en archaea. In 2008 werd voor het eerst experimenteel 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 zouden kunnen worden gebruikt als hulpmiddel voor genoombewerking. Sinds de erkenning als hulpmiddel voor het bewerken van genen in 2012, heeft het CRISPR-Cas-systeem een ​​lange weg afgelegd als een stevig ingeburgerd standaardsysteem voor het bewerken van genen en heeft het een breed scala aan toepassingen gevonden in de biogeneeskunde, de landbouw, 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, screening van geneesmiddelen, diagnostiek en behandelingen. De huidige CRISPR/Cas systemen zijn onderverdeeld in 2 klassen (Klasse 1 en 2) en zes typen (Type I t/m XI). Klasse 1-systemen hebben meerdere Cas-eiwitten die een functioneel complex moeten vormen om hun doelen te binden en in te werken. Aan de andere kant hebben Klasse 2-systemen slechts één groot Cas-eiwit voor het binden en afbreken van doelsequenties, 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, dwz off-target impact en cytotoxiciteit^3,5.  

Gentherapieën op basis van de huidige CRISPR-Cas-systemen hebben een beperkt klinisch gebruik vanwege het veelvuldig voorkomen van off-target editing, onverwachte DNA-mutaties, waaronder deleties van grote DNA-fragmenten en grote structurele DNA-varianten op zowel on-target als off-target sites die leiden tot celdood en andere erfelijke problemen.  

Craspase (of CRISPR-geleide caspase)  

Onderzoekers hebben onlangs een nieuw CRISPER-Cas-systeem gerapporteerd, 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 cysteïneproteasen die een sleutelrol spelen bij apoptose bij het afbreken van cellulaire structuren). Het heeft potentiële toepassingen op gebieden als gentherapie en diagnostiek. Craspase is RNA-geleid en RNA-gericht en bemoeit zich niet met de DNA-sequenties. Het kan mRNA en eiwitten geassocieerd met verschillende genetische ziekten nauwkeuriger targeten en vernietigen zonder off-target impact. Eliminatie van genen die geassocieerd zijn met ziekten is dus mogelijk door splitsing op mRNA- of eiwitniveau. Wanneer Craspase aan een specifiek enzym is gekoppeld, kan het ook worden gebruikt om functies van eiwitten te wijzigen. Wanneer de RNase- en proteasefuncties worden verwijderd, wordt Craspase gedeactiveerd (dCraspase). Het heeft geen knipfunctie maar bindt zich aan RNA- en eiwitsequenties. Daarom kan dCraspase worden gebruikt bij diagnostiek en beeldvorming om ziekten of virussen te bewaken en te diagnosticeren.  

Craspase is het eerste CRISPR-Cas-systeem dat de eiwitbewerkingsfunctie laat zien. Het is ook het eerste systeem dat zowel RNA als eiwit kan bewerken. De functie voor het bewerken van genen zorgt voor minimale off-target effecten en geen erfelijke problemen. Daarom is Craspase waarschijnlijk veiliger in klinisch gebruik en therapeutische toepassingen 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 

***