Активация CRISPR
Часть серии о |
КРИСПР |
---|
Редактирование генома : CRISPR-Cas |
варианты: Анти-CRISPR - CIRTS - CRISPeYCRISPR-Cas10 - CRISPR-Cas13 - CRISPR-BEST CRISPR-Disp - CRISPR-Gold - CRISPRa - CRISPRi Easi-CRISPR – СДЕЛАЙТЕ ЭТО |
Фермент |
Cas9 – FokI – EcoRI – PstI – SmaI HaeIII – Cas12a (Cpf1) – xCas9 |
Приложения |
КАМЕРА - ICE - Направленная генетика |
другой метод редактирования генома: |
Прайм-редактирование - Pro-AG - RESCUE - TALEN - ZFN - LEAPER |
Активация CRISPR (CRISPRa) — это тип инструмента CRISPR , в котором используются модифицированные версии эффекторов CRISPR без эндонуклеазной активности с добавлением транскрипции активаторов на dCas9 или направляющих РНК (гРНК) . [ 1 ]
Как и в случае с CRISPR-интерференцией , эффектор CRISPR направляется к цели с помощью дополнительной направляющей РНК. Однако системы активации CRISPR объединены с активаторами транскрипции для увеличения экспрессии интересующих генов. Такие системы можно использовать для многих целей, включая, помимо прочего, генетический скрининг и сверхэкспрессию представляющих интерес белков. Наиболее часто используемый эффектор основан на Cas9 (из систем типа II), но другие эффекторы, такие как Cas12a (тип V). также использовались и [ 2 ]
Компоненты
[ редактировать ]dCas9
[ редактировать ]Мертвая эндонуклеаза Cas9, также известная как мертвая Cas9 или dCas9 , представляет собой мутантную форму Cas9 , эндонуклеазная активность которой удаляется посредством точечных мутаций в его эндонуклеазных доменах. Подобно своей немутированной форме, dCas9 используется в системах CRISPR вместе с гРНК для нацеливания на определенные гены или нуклеотиды, комплементарные гРНК с последовательностями PAM , которые позволяют Cas9 связываться. Cas9 обычно имеет два домена эндонуклеазы, называемые доменами RuvC и HNH. Точечные мутации D10A и H840A изменяют два важных остатка эндонуклеазной активности, что в конечном итоге приводит к ее дезактивации. Хотя у dCas9 отсутствует эндонуклеазная активность, он все же способен связываться со своей направляющей РНК и целевой цепью ДНК , поскольку такое связывание управляется другими доменами. Одного этого часто бывает достаточно, чтобы ослабить, если не полностью заблокировать, транскрипцию целевого гена, если гРНК позиционирует dCas9 таким образом, что предотвращает доступ транскрипционных факторов и РНК-полимеразы к ДНК. Однако эту способность связывать ДНК также можно использовать для активации, поскольку dCas9 имеет модифицируемые области, обычно N- и C-концы белка, которые можно использовать для прикрепления активаторов транскрипции. [ 3 ]
Направляющая РНК
[ редактировать ]Малая направляющая РНК ( мгРНК ) или гРНК — это РНК, содержащая около 20 нуклеотидов, используемая для направления Cas9 или dCas9 к их мишеням. гРНК содержат две основные области, важные для систем CRISPR: каркасную и спейсерную области. Спейсерная область содержит нуклеотиды, комплементарные нуклеотидам, обнаруженным в целевых генах, часто в промоторной области. Каркасная область отвечает за образование комплекса с (d)Cas9. Вместе они связывают (d)Cas9 и направляют его на интересующий ген(ы). Поскольку спейсерную область гРНК можно модифицировать для любой потенциальной последовательности, они придают системам CRISPR гораздо большую гибкость, поскольку возможными мишенями могут стать любые гены и нуклеотиды с последовательностью, комплементарной спейсерной области. [ 3 ]
Транскрипционные активаторы
[ редактировать ]См.: Активатор транскрипции , Фактор транскрипции.
Активаторы транскрипции представляют собой белковые домены или целые белки, связанные с dCas9 или sgRNA, которые помогают в привлечении важных кофакторов, а также РНК-полимеразы для транскрипции гена (ов), на которые нацелена система. Чтобы белок мог быть создан из гена, который его кодирует, РНК-полимераза должна создать РНК из матрицы ДНК гена во время процесса, называемого транскрипцией. Активаторы транскрипции имеют ДНК-связывающий домен и домен активации транскрипции. Домен активации может рекрутировать общие факторы транскрипции или РНК-полимеразу в последовательность гена. Домены активации также могут функционировать, облегчая транскрипцию остановленными РНК-полимеразами, а у эукариот могут перемещать нуклеосомы по ДНК или модифицировать гистоны для увеличения экспрессии генов. [ 4 ] Эти активаторы могут быть введены в систему путем присоединения к dCas9 или к sgRNA. Некоторые исследователи отметили, что степень усиления транскрипции можно модулировать, используя несколько сайтов для прикрепления активатора в одном эксперименте, а также используя различные вариации и комбинации активаторов одновременно в данном эксперименте или образце. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
Система экспрессии
[ редактировать ]система экспрессии Для введения гРНК и белков (d)Cas9 в интересующие клетки необходима . Обычно используемые варианты включают, помимо прочего, плазмиды и вирусные векторы, такие как вектор аденоассоциированного вируса (AAV) или лентивирусный вектор.
Специальные системы активации
[ редактировать ]ВП64-р65-Рта
[ редактировать ]Активатор VP64-p65-Rta, или VPR, dCas9, был создан путем модификации существующего активатора dCas9, в котором активатор транскрипции Vp64 присоединен к C-концу dCas9. [ 1 ] В белке dCas9-VPR факторы транскрипции p65 и Rta добавлены к С-концу dCas9-Vp64. Следовательно, все три фактора транскрипции нацелены на один и тот же ген. Использование трех факторов транскрипции, а не только Vp64, приводит к усилению экспрессии целевых генов. Когда dCas9 был нацелен на разные гены, все они демонстрировали значительно большую экспрессию с dCas9-VPR, чем с dCas9-VP64. Также было продемонстрировано, что dCas9-VPR можно использовать для увеличения экспрессии нескольких генов в одной клетке путем помещения нескольких sgRNA в одну и ту же клетку. [ 8 ]
dCas9-VPR использовался для активации генов нейрогенина 2 (link) и нейрогенной дифференцировки 1 (link), что приводило к дифференцировке индуцированных плюрипотентных стволовых клеток в индуцированные нейроны . [ 8 ] Исследование, сравнивающее активаторы dCas9, показало, что активаторы VPR, SAM и Suntag лучше всего работают с dCas9 для увеличения экспрессии генов в различных типах клеток плодовых мух , мышей и человека . [ 9 ]
Медиатор синергической активации
[ редактировать ]Чтобы преодолеть ограничения системы активации гена dCas9-VP64, была разработана система dCas9-SAM, включающая несколько факторов транскрипции. Используя белки MS2 , p65 и HSF1 , система dCas9-SAM рекрутирует различные транскрипционные факторы, работающие синергически для активации интересующего гена.
Для сборки различных активаторов транскрипции система dCas9-SAM использует модифицированную единую направляющую РНК (sgRNA) , которая имеет сайты связывания для белка MS2. Шпильочные аптамеры прикрепляются к тетрапетле и стеблевой петле 2 sgRNA и становятся сайтами связывания для димеризованных белков оболочки бактериофага MS2. Поскольку шпильки выходят за пределы комплекса dCas9-sgRNA, другие транскрипционные факторы могут связываться с белком MS2, не разрушая комплекс dCas9-sgRNA. Таким образом, белок MS2 сконструирован таким образом, чтобы включать белки p65 и HSF1. Слитый белок MS2-p65-HSF1 взаимодействует с dCas9-VP64, рекрутируя больше транскрипционных факторов на промотор целевых генов.
Используя систему dCas-SAM, Чжан и др. (2015) успешно реактивировали латентный ген ВИЧ для сверхэкспрессии вирусных белков из клеток-хозяев ВИЧ. [ 10 ] Они смогли сверхэкспрессировать вирусные белки, чтобы вызвать апоптоз латентных клеток ВИЧ-1 из-за токсичности вирусных белков. В другом эксперименте с системой dCas-SAM Konermann et al. (2015) обнаружили в клетках меланомы гены, которые придают устойчивость к ингибитору BRAF, путем активации генов-кандидатов через систему dCas. [ 7 ] Таким образом, систему dCas9-SAM можно в дальнейшем использовать для активации латентных генов, разработки генной терапии и открытия новых генов.
SunTag
[ редактировать ]В системе активатора SunTag используется белок dCas9, который модифицирован для связи с SunTag. SunTag представляет собой повторяющийся массив полипептидов, который может рекрутировать несколько копий антител . Прикрепляя транскрипционные факторы к антителам, активирующий комплекс SunTag dCas9 усиливает рекрутирование транскрипционных факторов. Чтобы направить белок dCas9 к его целевому гену, система dCas9 SunTag использует sgRNA .
Таненбауму и др. (2014) приписывают создание системы dCas9 SunTag. [ 11 ] В качестве антител они использовали антитела GCN4 , связанные с транскрипционным фактором VP64. Чтобы транспортировать антитела к ядрам клеток, они прикрепили NLS метку . Для подтверждения ядерной локализации антител sfGFP для визуализации использовали . Поэтому был разработан белок GCN4-sfGFP-NLS-VP64 для взаимодействия с системой dCas SunTag. Антитела успешно связались с полипептидами SunTag и активировали целевой ген CXCR4 в клеточных линиях K562. [ 11 ] По сравнению с активационным комплексом dCas9-VP64 им удалось увеличить экспрессию гена CXCR4 в 5-25 раз в клеточных линиях K562. Не только наблюдалась более высокая сверхэкспрессия белка CXCR4, но и белки CXCR4 были активны для дальнейшего перемещения в анализе трансвелловой миграции. Таким образом, систему dCas9-SunTag можно использовать для активации генов, присутствующих латентно, например генов вируса.
Приложения
[ редактировать ]Система активации dCas9 позволяет экспрессировать желаемый ген или несколько генов в одной клетке. Изучить гены, участвующие в определенном процессе, можно с помощью полногеномного скрининга, предполагающего активацию экспрессии генов. Изучение того, какие sgRNA дают фенотип, позволяет предположить, какие гены участвуют в определенном пути. Систему активации dCas9 можно использовать для контроля того, какие именно клетки активируются и в какое время происходит активация. Были созданы конструкции dCas9, которые активируют слитый белок dCas9-активатор в присутствии света или химических веществ. Клетки также можно перепрограммировать или дифференцировать из одного типа клеток в другой за счет увеличения экспрессии определенных генов, важных для формирования или поддержания типа клеток. [ 12 ]
Больший контроль над экспрессией генов
[ редактировать ]Одна исследовательская группа использовала систему, в которой dCas9 был слит с определенным доменом C1B1. Когда на клетку падает синий свет, домен криптохрома 2 (Cry2) связывается с C1B1. Домен Cry2 слит с активатором транскрипции , поэтому синий свет нацеливает активатор на место, где связан dCas9. Использование света позволяет в значительной степени контролировать момент активации целевого гена. Удаление света из клетки приводит к тому, что в целевом гене остается только dCas9, поэтому экспрессия не увеличивается. Таким образом, система является обратимой. [ 13 ] Аналогичная система была разработана с использованием химического контроля. В этой системе dCas9 рекрутирует слитый белок MS2, содержащий домен FKBP. В присутствии химического RAP домен FRB, слитый с комплексом, модифицирующим хроматин, связывается с FKBP. Всякий раз, когда RAP добавляется к клеткам, специфический комплекс модификаторов хроматина может быть направлен на ген. Это позволяет ученым изучить, как конкретные модификации хроматина влияют на экспрессию гена. [ 14 ] Система dCAs9-VPR используется в качестве активатора путем нацеливания ее на промотор гена, расположенного выше кодирующей области. В исследовании использовались различные sgRNA для воздействия на разные части гена, и было обнаружено, что активатор dCas9-VPR может действовать как активатор или репрессор, в зависимости от места его связывания. В клетке sgRNA, нацеленные на промотор, могут позволить dCas9-VPR увеличивать экспрессию, тогда как sgRNA, нацеленные на кодирующую область гена, приводят к снижению экспрессии dCas9-VPR. [ 15 ]
Полногеномная активация
[ редактировать ]Универсальность sgRNA позволяет активаторам dCas9 увеличивать экспрессию любого гена в геноме организма. Это можно использовать для увеличения экспрессии гена, кодирующего белок, или транскрибируемой РНК. В статье показано, что полногеномную активацию можно использовать для определения того, какие белки участвуют в опосредованной устойчивости к конкретному лекарству. [ 7 ] В другой статье использовалась полногеномная активация длинных некодирующих РНК и отмечалось, что увеличение экспрессии некоторых длинных некодирующих РНК приводит к устойчивости к препарату вемурафенибу. [ 16 ] В обоих случаях клетки, пережившие воздействие препарата, можно изучить, чтобы определить, какие sgRNA они содержат. Это позволяет исследователям определить, какой ген был активирован в каждой выжившей клетке, а это позволяет предположить, какие гены важны для устойчивости к этому препарату.
Использование в организмах
[ редактировать ]Слияние dCas9 с VP64, p65 и HSF1 (фактор теплового шока 1) позволило исследователям воздействовать на гены Arabidopsis thaliana и увеличить транскрипцию до уровня, аналогичного тому, когда сам ген вставляется в геном растения. В одном из двух протестированных генов активатор dCas9 изменяет количество и размер листьев и помогает растениям лучше переносить засуху. Авторы приходят к выводу, что активатор dCas9 может создавать фенотипы у растений, аналогичные тем, которые наблюдаются при вставке трансгена для сверхэкспрессии. [ 17 ] Исследователи использовали несколько направляющих РНК для нацеливания системы активации dCas9 на несколько генов в определенной линии мышей, у которых dCas9 можно активировать в определенных клеточных линиях с помощью системы рекомбиназы Cre . Ученые использовали нацеливание и усиление экспрессии нескольких генов для изучения процессов, участвующих регенерации и карциноме печени в . [ 18 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Йенсен Т.И., Миккельсен Н.С., Гао З., Фёлтедер Дж., Пабст Г., Аксельгаард Э., Лаустсен А., Кениг С., Райниш А., Бак Р.О. (ноябрь 2021 г.). «Направленная регуляция транскрипции в первичных клетках с помощью CRISPRa и CRISPRi» . Геном Рез . 31 (11): 2120–2130. дои : 10.1101/гр.275607.121 . ПМЦ 8559706 . ПМИД 34407984 .
- ^ Брейниг М., Швейцер А.Ю., Херианто А.М., Ревиа С., Шефер Л., Вендлер Л. и др. (январь 2019 г.). «Мультиплексное ортогональное редактирование генома и активация транскрипции с помощью Cas12a». Нат-методы . 16 (1): 51–54. дои : 10.1038/s41592-018-0262-1 . ПМИД 30559432 . S2CID 56174507 .
- ^ Jump up to: а б «Руководство по CRISPR/Cas9» . Аддген .
- ^ Ма, Дж. (август 2011 г.). Активаторы транскрипции и механизмы активации. Белок и клетка, 2 (11), 879–888.
- ^ Перес-Пинера П., Кочак Д.Д., Вокли СМ, Адлер А.Ф., Кабади А.М., Полштейн Л.Р. и др. (октябрь 2013 г.). «Активация генов, управляемая РНК, факторами транскрипции на основе CRISPR-Cas9» . Природные методы . 10 (10): 973–6. дои : 10.1038/nmeth.2600 . ПМЦ 3911785 . ПМИД 23892895 .
- ^ Маедер М.Л., Линдер С.Дж., Касио В.М., Фу Ю, Хо К.Х., Йонг Дж.К. (октябрь 2013 г.). «CRISPR-РНК-ориентированная активация эндогенных генов человека» . Природные методы . 10 (10): 977–9. дои : 10.1038/nmeth.2598 . ПМК 3794058 . ПМИД 23892898 .
- ^ Jump up to: а б с Конерманн С., Бригам М.Д., Тревино А.Е., Йонг Дж., Абудайе О.О., Барсена С. и др. (январь 2015 г.). «Активация транскрипции в масштабе генома с помощью сконструированного комплекса CRISPR-Cas9» . Природа . 517 (7536): 583–8. Бибкод : 2015Natur.517..583K . дои : 10.1038/nature14136 . ПМК 4420636 . ПМИД 25494202 .
- ^ Jump up to: а б Чавес А., Шейман Дж., Вора С., Прюитт Б.В., Таттл М., Е.П. и др. (апрель 2015 г.). «Высокоэффективное транскрипционное программирование, опосредованное Cas9» . Природные методы . 12 (4): 326–8. дои : 10.1038/nmeth.3312 . ПМЦ 4393883 . ПМИД 25730490 .
- ^ Чавес А., Таттл М., Прюитт Б.В., Юэн-Кампен Б., Чари Р., Тер-Ованесян Д. и др. (июль 2016 г.). «Сравнение активаторов Cas9 у разных видов» . Природные методы . 13 (7): 563–567. дои : 10.1038/nmeth.3871 . ПМЦ 4927356 . ПМИД 27214048 . *Поместить резюме в: «Руководство по активации гена CRISPR» . Физика.орг . 23 мая 2016 г.
- ^ Чжан Ю, Инь С, Чжан Т, Ли Ф, Ян В, Камински Р и др. (ноябрь 2015 г.). «Медиатор синергической активации CRISPR/gRNA (SAM) индуцирует специфическую, стойкую и надежную реактивацию латентных резервуаров ВИЧ-1» . Научные отчеты . 5 (1): 16277. Бибкод : 2015NatSR...516277Z . дои : 10.1038/srep16277 . ПМЦ 4633726 . ПМИД 26538064 .
- ^ Jump up to: а б Таненбаум М.Э., Гилберт Л.А., Ци Л.С., Вайсман Дж.С., Вейл Р.Д. (октябрь 2014 г.). «Система мечения белков для усиления сигнала при экспрессии генов и флуоресцентной визуализации» . Клетка . 159 (3): 635–46. дои : 10.1016/j.cell.2014.09.039 . ПМК 4252608 . ПМИД 25307933 .
- ^ Домингес А.А., Лим В.А., Ци Л.С. (январь 2016 г.). «Не только редактирование: повторное использование CRISPR-Cas9 для точной регуляции и исследования генома» . Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 17 (1): 5–15. дои : 10.1038/номер.2015.2 . ПМЦ 4922510 . ПМИД 26670017 .
- ^ Нихонгаки Ю, Ямамото С, Кавано Ф, Сузуки Х, Сато М (февраль 2015 г.). «Фотоактивируемая транскрипционная система на основе CRISPR-Cas9». Химия и биология . 22 (2): 169–74. doi : 10.1016/j.chembiol.2014.12.011 . ПМИД 25619936 .
- ^ Браун С.М., Киркланд Дж.Г., Чори Э.Дж., Хусманн Д., Каларко Дж.П., Крэбтри Г.Р. (сентябрь 2017 г.). «Быстрое и обратимое редактирование эпигенома эндогенными регуляторами хроматина» . Природные коммуникации . 8 (1): 560. Бибкод : 2017NatCo...8..560B . дои : 10.1038/s41467-017-00644-y . ПМК 5601922 . ПМИД 28916764 .
- ^ Динер М., Мехиа Дж., Альпер Х.С. (октябрь 2017 г.). «Включение градуированного и крупномасштабного мультиплекса желаемых генов с использованием двухрежимного активатора dCas9 в Saccharomyces cerevisiae». ACS Синтетическая биология . 6 (10): 1931–1943. doi : 10.1021/acsynbio.7b00163 . ПМИД 28700213 .
- ^ Йонг Дж., Энгрейтц Дж.М., Конерманн С., Абудайе О.О., Вердин В.К., Аге Ф. и др. (август 2017 г.). «Скрин активации в масштабе генома идентифицирует локус днРНК, регулирующий соседство генов» . Природа . 548 (7667): 343–346. Бибкод : 2017Natur.548..343J . дои : 10.1038/nature23451 . ПМК 5706657 . ПМИД 28792927 .
- ^ Пак Джей Джей, Демпевульф Э, Чжан В, Ван Цзы (2017). «Активация транскрипции под управлением РНК посредством CRISPR/dCas9 имитирует фенотипы сверхэкспрессии у Arabidopsis» . ПЛОС ОДИН . 12 (6): e0179410. Бибкод : 2017PLoSO..1279410P . дои : 10.1371/journal.pone.0179410 . ПМЦ 5473554 . ПМИД 28622347 .
- ^ Вангенстин К.Дж., Ван Ю.Дж., Доу З., Ван А.В., Мослех-Ширази Э., Хорлбек М.А. и др. (август 2018 г.). «Комбинаторная генетика репопуляции печени и канцерогенеза с платформой активации CRISPR in vivo» . Гепатология . 68 (2): 663–676. дои : 10.1002/hep.29626 . ПМК 5930141 . ПМИД 29091290 .