Технология редактирования генома и возможности ее применения в клеточной нейробиологии

Обложка


Цитировать

Полный текст

Аннотация

В настоящее время благодаря серии фундаментальных открытий в клеточной и молекулярной биологии появилось несколько высокотехнологичных подходов к моделированию неврологических (в первую очередь нейродегенеративных) заболеваний человека. Среди них – направленное геномное редактирование с помощью искусственных нуклеазных систем (CRISPR/CAS9 и др.), позволяющее осуществлять высокоспецифичное исправление генетических дефектов на уровне клеток. Особенно перспективным представляется применение технологии геномного редактирования на специализированных нейронах и индуцированных плюрипотентных стволовых клетках (ИПСК), получаемых из фибробластов больных с наследственными формами нейродегенерации в результате клеточного репрограммирования. В статье проводится краткий анализ систем программируемых нуклеаз, рассматриваются механизмы их работы, преимущества, недостатки и возможности применения в моделировании и коррекции нейродегенеративных заболеваний. Обобщен собственный опыт в клеточном моделировании PARK2-формы болезни Паркинсона на культуре дофаминергических нейронов, дифференцированных из ИПСК. Представлены предварительные данные, связанные с возможностью редактирования генома клеток в мутантных сайтах PARK2.

Об авторах

А. С. Ветчинова

ФГБНУ «Научный центр неврологии»

Email: snillario@gmail.com
Россия, Москва

E. В. Коновалова

ФГБНУ «Научный центр неврологии»

Email: snillario@gmail.com
Россия, Москва

E. A. Лунев

Балтийский федеральный университет им. И. Канта

Email: snillario@gmail.com
Россия, Калининград

Сергей Николаевич Иллариошкин

ФГБНУ «Научный центр неврологии»

Автор, ответственный за переписку.
Email: snillario@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2704-6282

д.м.н., проф., член-корр. РАН, зам. директора по научной работе, рук. отдела исследований мозга

Россия, Москва

Список литературы

  1. Богомазова А.Н., Васина Е.М., Киселев С.Л. и др. Генетическое репрограммирование клеток: новая технология для фундаментальных исследований и практического использования. Генетика. 2015; 4: 466–478.
  2. Васильева Е.А., Мелино Д., Барлев Н.А. Применение системы направленного геномного редактирования CRISPR/Cas к плюрипотентным стволовым клеткам. Цитология. 2015; 1: 19–30.
  3. Завалишин И.А., Яхно Н.Н., Гаврилова С.И. (ред.) Нейродегенеративные болезни и старение. М.: А.А.А., 2001.
  4. Загоровская Т.Б., Иллариошкин С.Н., Сломинский П.А. и др. Клинико-генетический анализ ювенильного паркинсонизма в России. Журн. неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2004; 8: 66–72.
  5. Иллариошкин С.Н., Загоровская И.А., Иванова-Смоленская И.А.,Маркова Е.Д. Генетические аспекты болезни Паркинсона. Неврол. журн. 2002; 5: 47–51.
  6. Иллариошкин С.Н., Иванова-Смоленская И.А., Маркова Е.Д. Новый механизм мутации у человека: экспансия тринуклеотидных повторов. Генетика. 1995; 31: 1478–1489.
  7. Коновалова Е.В., Лопачева О.М., Гривенников И.А. и др. Экспрессия про- и антиапоптотических факторов в индуцированных плюрипотентных стволовых клетках здорового донора и пациента с болезнью Паркинсона, являющегося носителем мутаций в гене PARK2. Acta Naturae. 2015; 7 (4).
  8. Коновалова Е.В., Новосадова Е.В., Гривенников И.А., Иллариош-кин С.Н. Фенотипические различия культур нейронов, получаемых путем репрограммирования фибробластов пациентов с мутациями в генах паркинсонизма LRRK2 и PARK2. Бюлл. эксперим. биол. мед. 2015; 6: 749–753.
  9. Лебедева О.С., Лагарькова М.А., Иллариошкин С.Н. и др. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки: новые возможности в нейробиологии и нейротрансплантологии. Анн. клин. и эксперим. неврол. 2011; 4: 37–45.
  10. Лысогорская Е.В., Абрамычева Н.Ю., Захарова М.Н., Иллариошкин С.Н. Частота мутаций в гене SOD1 у российских пациентов с боковым амиотрофическим склерозом. Мед. генетика 2013; 4: 32–37.
  11. Медведев С.П., Шевченко А.И., Сухих Г.Т., Закиян С.М. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Новосибирск: Изд. Сибирского отделения РАН, 2014.
  12. Немудрый А.А., Валетдинова К.Р., Медведев С.П., Закиян С.М. Системы редактирования генома TALEN и CRISPR/Cas – инструменты открытий. Acta Naturae. 2014; 23: 20–42.
  13. Barrangou R., Fremaux C., Deveau H. et al. CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes. Science. 2007; 315: 1709–1712.
  14. Brookmeyer R., Johnson E., Ziegler-Graham K., Arrighi M.H. Forecasting the global burden of Alzheimer’s disease. Alzheimer’s and Dementia. 2007; 3: 186–191.
  15. Chapdelaine P., Coulombe Z., Chikh A. et al. A potential new therapeutic approach for Friedreich ataxia: induction of frataxin expression with TALE proteins. Mol. Ther. Nucleic Acids. 2013; 2 (9): e119.
  16. Chen K., Gao C.J. TALENs: customizable molecular DNA scissors for genome engineering of plants. Genet. Genomics. 2013; 40: 271–279.
  17. Cong L., Ran F.A., Cox D. et al. Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systems. Science. 2013; 339 (6121): 819–823.
  18. Fonfara I., Le Rhun A., Chylinski K. et al. Phylogeny of Cas9 determines functional exchangeability of dual-RNA and Cas9 among orthologous type II CRISPR-Cas systems. Nucl. Acids Res. 2014; 42: 2577–2590.
  19. Gaj T., Gersbach C., Barbas C. ZNF, TALEN and CRISPR/CASbased methods for genome engineering. Trends Biotechnol. 2013; 31: 397–405.
  20. Garriga-Canut M., Agustin-Pavon C., Herrmann F. et al. Synthetic zinc finger repressors reduce mutant huntingtin expression in the brain of R6/2 mice. PNAS 2012; 109: 3136–3145.
  21. Guo J.L., Lee V.M.Y. Cell-to-cell transmission of pathogenic proteins in neurodegenerative diseases. Nat. Med. 2014; 20: 130–138.
  22. Hargus G, Ehrlich M., Hallmann A.-L., Kuhlmann T. Human stem cell models of neurodegeneration: a novel approach to study mechanisms of disease development. Acta Neuropathol. 2014; 127: 151–173.
  23. Hunsberger J.G., Efthymiou A.G., Malik N., Behl M. Induced pluripotent stem cell models to enable in vitro models for screening in the CNS. Stem Cells Devel. 2015; 24: 1852–1864.
  24. Ingre C., Roos P.M., Piehl F. et al. Risk factors for amyotrophic lateral sclerosis. Clin Epidemiol. 2015; 7: 181–193.
  25. Jenner P., Morris H.R., Robbins T.W. et al. Parkinson’s disease – the debate on the clinical phenomenology, aetiology, pathology and pathogenesis. J. Parkinsons Dis. 2013; 3: 1–11.
  26. Kiskinis E., Sandoe J., Williams L. et al. Pathways disrupted in human ALS motor neurons indentified through genetic correction of mutant SOD1. Cell Stem Cell. 2014; 14: 781-795.
  27. Lieber M.R. The mechanism of double-strand DNA break repair bythe nonhomologous DNA end-joining pathway. Annu. Rev. Biochem. 2010; 79: 181–211.
  28. Mali P., Yang L., Esvelt K.M. et al. RNA-guided human genome engineering via Cas9. Science. 2012; 339: 823-826.
  29. Mojica F.J., Díez-Villaseñor C., García-Martínez J., Soria E. Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements. J. Mol. Evol. 2005; 60: 174–182.
  30. Moynahan M.E., Jasin M. Mitotic homologous recombination maintains genomic stability and suppresses tumorigenesis. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2010; 11: 196–207.
  31. Periquet M., Lücking C.B., Vaughan J.R. et al. Origin of the mutations in the parkin gene in Europe: exon rearrangements are independent recurrent events, whereas point mutations may result from founder effects. Am. J. Hum. Genet. 2001; 68: 617–626.
  32. Schmid-Burgk J.L., Schmidt T., Kaiser V. et al. A ligation-independent cloning technique for high-throughput assembly of transcription activator–like effector genes. Nat. Biotechnol. 2013; 31: 76–81.
  33. Singleton A.B., Farrer M.J., Bonifati V. The genetics of Parkinson’s disease: progress and therapeutic implications. Mov. Disord. 2013; 28: 14–23.
  34. Soldner F., Laganiere J., Cheng A. et al. Generation of isogenic pluripotent stem cells differing exclusively at two early-onset Parkinson point mutations. Cell. 2011; 146: 318–331.
  35. Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 2006; 126: 663–676.
  36. Urnov F.D., Rebar E.J., Holmes M.C. et al. Genome editing with engineered zinc finger nucleases. Nat. Rev. Genet. 2010; 11: 636–646.
  37. Wiedenheft B., Sternberg S.H., Doudna J.A. RNA-guided genetic silencing systems in bacteria and archaea. Nature. 2012; 482: 331–338.
  38. Wirdefeldt K., Adami H.O., Cole P., Trichopoulos D., Mandel J. Epidemiology and etiology of Parkinson’s disease: a review of the evidence. Eur. J. Epidemiol. 2011; 26 (Suppl. 1): S1–58.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Vetchinova A.S., Konovalova E.V., Lunev E.A., Illarioshkin S.N., 2015

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77-83204 от 12.05.2022.


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах