Sistema CRISPR/Cas: Edición genómica de precisión

Rocío Riveros Maidana, Alejandro Méndez Ferreira, Nidia Benítez Candia, Eva Nara Pereira, Danilo Fernández Ríos

Resumen


La función original de los sistemas CRISPR/Cas es destruir el DNA de virus bacterianos. Este sistema ha evolucionado para identificar y cortar secuencias de diferentes DNA de virus de DNA evitando la infección. En la célula, está compuesto de genes Cas que producen nucleasas guiadas por RNA capaces de cortar el DNA. Si el RNA guía encuentra DNA de un virus con el que se puede emparejar, recluta a la nucleasa Cas9 que lo corta. Este sistema es utilizado in vitro para editar genes basándose en la producción de rupturas de doble cadena y su posterior reparación. Actualmente existen varias plataformas para el diseño de RNAs guía, aunque también es posible realizarlo de forma manual. Los componentes del sistema son entregados a la célula mediante un plásmido o una ribonucleoproteína. En esta revisión nos centraremos en la función original de CRISPR/Cas en procariotas y en cómo los investigadores la han modificado para proporcionar nuevas técnicas de edición de genomas. Discutiremos sobre las ventajas de esta nueva técnica, las formas en que podemos utilizarla y algunas de las limitaciones que aún encontramos en su aplicación.


Palabras clave


nucleasas guiadas por RNA; protoespaciador; RNA guía; ruptura de doble cadena

Texto completo:

PDF

Referencias


Bisaria N, Jarmoskaite I, Herschlag D. Lessons from Enzyme Kinetics Reveal Specificity Principles for RNA-Guided Nucleases in RNA Interference and CRISPR-Based Genome Editing. Cell Syst [Internet]. enero de 2017;4(1):21-9. Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2405471216304203

Patmanathan SN, Gnanasegaran N, Lim MN, Husaini R, Fakiruddin KS, Zakaria Z. CRISPR/Cas9 in Stem Cell Research: Current Application and Future Perspective. Curr Stem Cell Res Ther [Internet]. 1 de octubre de 2018;13(8):632-44. Disponible en: http://www.eurekaselect.com/163035/article

Chylinski K, Makarova KS, Charpentier E, Koonin E V. Classification and evolution of type II CRISPR-Cas systems. Nucleic Acids Res [Internet]. 2 de junio de 2014;42(10):6091-105. Disponible en: http://academic.oup.com/nar/article/42/10/6091/2434503/Classification-and-evolution-of-type-II-CRISPRCas

Chylinski K, Le Rhun A, Charpentier E. The tracrRNA and Cas9 families of type II CRISPR-Cas immunity systems. RNA Biol [Internet]. 5 de mayo de 2013;10(5):726-37. Disponible en: http://www.tandfonline.com/doi/full/10.4161/rna.24321

Knott GJ, Doudna JA. CRISPR-Cas guides the future of genetic engineering. Science (80- ) [Internet]. 31 de agosto de 2018;361(6405):866-9. Disponible en: http://www.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aat5011

Barrangou R, Horvath P. A decade of discovery: CRISPR functions and applications. Nat Microbiol [Internet]. 5 de julio de 2017;2(7):17092. Disponible en: http://www.nature.com/articles/nmicrobiol201792

Kimberland ML, Hou W, Alfonso-Pecchio A, Wilson S, Rao Y, Zhang S, et al. Strategies for controlling CRISPR/Cas9 off-target effects and biological variations in mammalian genome editing experiments. J Biotechnol [Internet]. octubre de 2018;284:91-101. Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0168165618306060

Lone BA, Karna SKL, Ahmad F, Shahi N, Pokharel YR. CRISPR/Cas9 System: A Bacterial Tailor for Genomic Engineering. Genet Res Int [Internet]. 18 de septiembre de 2018;2018:1-17. Disponible en: https://www.hindawi.com/journals/gri/2018/3797214/

Yuan N-N, Cai C-Z, Wu M-Y, Zhu Q, Su H, Li M, et al. Canthin-6-One Accelerates Alpha-Synuclein Degradation by Enhancing UPS Activity: Drug Target Identification by CRISPR-Cas9 Whole Genome-Wide Screening Technology.

Front Pharmacol [Internet]. 28 de enero de 2019;10. Disponible en: https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fphar.2019.00016/full

Kurata M, Yamamoto K, Moriarity BS, Kitagawa M, Largaespada DA. CRISPR/Cas9 library screening for drug target discovery. J Hum Genet [Internet]. 20 de febrero de 2018;63(2):179-86. Disponible en: http://www.nature.com/articles/s10038-017-0376-9

Chao T, Liu Z, Zhang Y, Zhang L, Huang R, He L, et al. Precise and Rapid Validation of Candidate Gene by Allele Specific Knockout With CRISPR/Cas9 in Wild Mice. Front Genet [Internet]. 19 de febrero de 2019;10. Disponible en: https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fgene.2019.00124/full

Thomsen EA, Mikkelsen JG. CRISPR-Based Lentiviral Knockout Libraries for Functional Genomic Screening and Identification of Phenotype-Related Genes. En: Luo Y, editor. CRISPR Gene Editing Methods in Molecular Biology [Internet]. New York: Humana Press; 2019. p. 343-57. Disponible en: http://link.springer.com/10.1007/978-1-4939-9170-9_21

Deveau H, Garneau JE, Moineau S. CRISPR/Cas System and Its Role in Phage-Bacteria Interactions. Annu Rev Microbiol [Internet]. 13 de octubre de 2010;64(1):475-93. Disponible en: http://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev.micro.112408.134123

Doudna JA, Charpentier E. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science (80- ) [Internet]. 28 de noviembre de 2014;346(6213):1258096-1258096. Disponible en: http://www.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.1258096

Krebs JE, Goldstein ES, Kilpatrick ST. Bacteria contain regulator RNAs. En: Genes XI. Burlington, MA: Learning, Jones & Bartlett; 2014. p. 878-81.

Østerberg JT, Xiang W, Olsen LI, Edenbrandt AK, Vedel SE, Christiansen A, et al. Accelerating the Domestication of New Crops: Feasibility and Approaches. Trends Plant Sci [Internet]. mayo de 2017;22(5):373-84. Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1360138517300158

Makarova KS, Wolf YI, Koonin E V. Classification and Nomenclature of CRISPR-Cas Systems: Where from Here? Cris J [Internet]. octubre de 2018;1(5):325-36. Disponible en: https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/crispr.2018.0033

Le Rhun A, Escalera-Maurer A, Bratovič M, Charpentier E. CRISPR-Cas in Streptococcus pyogenes. RNA Biol [Internet]. 3 de abril de 2019;16(4):380-9. Disponible en: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15476286.2019.1582974

Yair Y, Gophna U. Repeat modularity as a beneficial property of multiple CRISPR-Cas systems. RNA Biol [Internet]. 3 de abril de 2019; 16(4):585-7. Disponible en: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15476286.2018.1474073

Faure G, Shmakov SA, Yan WX, Cheng DR, Scott DA, Peters JE, et al. CRISPR–Cas in mobile genetic elements: counter-defence and beyond. Nat Rev Microbiol [Internet]. 5 de junio de 2019; Disponible en: http://www.nature.com/articles/s41579-019-0204-7

Hille F, Richter H, Wong SP, Bratovič M, Ressel S, Charpentier E. The Biology of CRISPR-Cas: Backward and Forward. Cell [Internet]. marzo de 2018;172(6):1239-59. Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0092867417313831

McGinn J, Marraffini LA. Molecular mechanisms of CRISPR–Cas spacer acquisition. Nat Rev Microbiol [Internet]. 31 de enero de 2019;17(1):7-12. Disponible en: http://www.nature.com/articles/s41579-018-0071-7

Sharipova MR, Balaban NP, Mardanova AM, Toymentseva AA, Baranova DS. Effect of nucleases on bacteria infected with bacteriophages. Biol Bull [Internet]. 4 de marzo de 2017;44(2):137-43. Disponible en: http://link.springer.com/10.1134/S1062359017020170

Makarova KS, Zhang F, Koonin E V. SnapShot: Class 2 CRISPR-Cas Systems. Cell [Internet]. enero de 2017;168(1-2):328-328.e1. Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0092867416317548

Haurwitz RE, Jinek M, Wiedenheft B, Zhou K, Doudna JA. Sequence- and Structure-Specific RNA Processing by a CRISPR Endonuclease. Science (80- ) [Internet]. 10 de septiembre de 2010;329(5997):1355-8. Disponible en: http://www.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.1192272

Ran FA, Hsu PD, Wright J, Agarwala V, Scott DA, Zhang F. Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system. Nat Protoc [Internet]. 24 de octubre de 2013;8(11):2281-308. Disponible en: http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nprot.2013.143

Viliod Vieira G, Nerry T, Magalhães Arruda L. Visão geral do mecanismo básico de ação. En: Campos Pereira T, editor. Introdução à técnica de CRISPR. Sociedade Brasileira de Genética; 2016. p. 39-49.

Sander JD, Joung JK. CRISPR-Cas systems for editing, regulating and targeting genomes. Nat Biotechnol [Internet]. 2 de abril de 2014;32(4):347-55. Disponible en: http://www.nature.com/articles/nbt.2842

CBAB. Introdução às técnicas de RNAi e CRISPR. En: Campos Pereira T, editor. Curso teórico-práctico internacional del Centro Brasileiro Argentino de Biotecnologia (CBAB). Ribeirão Preto, Brasil; 2018.

Brazelton VA, Zarecor S, Wright DA, Wang Y, Liu J, Chen K, et al. A quick guide to CRISPR sgRNA design tools. GM Crops Food [Internet]. 2 de octubre de 2015 [citado 12 de mayo de 2019];6(4):266-76. Disponible en: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5033207/

Buquicchio F, Spruyt M. Gene Runner [Internet]. Gene Runner; 2018. Disponible en: http://www.generunner.net/

Ding Q, Regan SN, Xia Y, Oostrom LA, Cowan CA, Musunuru K. Enhanced Efficiency of Human Pluripotent Stem Cell Genome Editing through Replacing TALENs with CRISPRs. Cell Stem Cell [Internet]. abril de 2013;12(4):393-4. Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S193459091300101X

Fu Y, Foden JA, Khayter C, Maeder ML, Reyon D, Joung JK, et al. High-frequency off-target mutagenesis induced by CRISPR-Cas nucleases in human cells. Nat Biotechnol [Internet]. 23 de septiembre de 2013;31(9):822-6. Disponible en: http://www.nature.com/articles/nbt.2623

Xu L, Gao Y, Lau YS, Han R. Adeno-Associated Virus-Mediated Delivery of CRISPR for Cardiac Gene Editing in Mice. J Vis Exp [Internet]. 2 de agosto de 2018;(138). Disponible en: https://www.jove.com/video/57560/adeno-associated-virus-mediated-delivery-crispr-for-cardiac-gene

Tagliafierro L, Ilich E, Moncalvo M, Gu J, Sriskanda A, Grenier C, et al. Lentiviral Vector Platform for the Efficient Delivery of Epigenome-editing Tools into Human Induced Pluripotent Stem Cell-derived Disease Models. J Vis Exp [Internet]. 29 de marzo de 2019;(145). Disponible en: https://www.jove.com/video/59241/lentiviral-vector-platform-for-efficient-delivery-epigenome-editing

Estêvão D, Rios Costa N, da Costa RG, Medeiros R. CRISPR-Cas9 therapies in experimental mouse models of cancer. Futur Oncol [Internet]. agosto de

;14(20):2083-95. Disponible en: https://www.futuremedicine.com/doi/10.2217/fon-2018-0028

Larochelle S. CRISPR–Cas goes RNA. Nat Methods [Internet]. 1 de mayo de 2018;15(5):312-312. Disponible en: http://www.nature.com/articles/nmeth.4681

Xin Y, Duan C. Microinjection of Antisense Morpholinos, CRISPR/Cas9 RNP, and RNA/DNA into Zebrafish Embryos. En 2018. p. 205-11. Disponible en: http://link.springer.com/10.1007/978-1-4939-7665-2_18

Ren X, Holsteens K, Li H, Sun J, Zhang Y, Liu L-P, et al. Genome editing in Drosophila melanogaster: from basic genome engineering to the multipurpose CRISPR-Cas9 system. Sci China Life Sci [Internet]. 1 de mayo de 2017;60(5):476-89. Disponible en: http://link.springer.com/10.1007/s11427-017-9029-9

Wang G, Chow RD, Ye L, Guzman CD, Dai X, Dong MB, et al. Mapping a functional cancer genome atlas of tumor suppressors in mouse liver using AAV-CRISPR–mediated direct in vivo screening. Sci Adv [Internet]. 28 de febrero de 2018;4(2):eaao5508. Disponible en: http://advances.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/sciadv.aao5508

Kaneko T, Sakuma T, Yamamoto T, Mashimo T. Simple knockout by electroporation of engineered endonucleases into intact rat embryos. Sci Rep [Internet]. 1 de mayo de 2015;4(1):6382. Disponible en: http://www.nature.com/articles/srep06382

Perez Rojo F, Nyman RKM, Johnson AAT, Navarro MP, Ryan MH, Erskine W, et al. CRISPR-Cas systems: ushering in the new genome editing era. Bioengineered [Internet]. 2018;9(1):214-21. Disponible en: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21655979.2018.1470720

Addgene. CRISPR 101: A Desktop Resource [Internet]. 2.a ed. www.addgene.org; 2017. Disponible en: https://info.addgene.org/download-addgenes-ebook-crispr-101-2nd-edition

Myhrvold C, Freije CA, Gootenberg JS, Abudayyeh OO, Metsky HC, Durbin AF, et al. Field-deployable viral diagnostics using CRISPR-Cas13. Science (80- ). 2018;360(6387):444-8.

Gootenberg JS, Abudayyeh OO, Kellner MJ, Joung J, Collins JJ, Zhang F. Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13, Cas12a, and Csm6. Science (80- ) [Internet]. 27 de abril de 2018 [citado 21 de mayo de 2019];360(6387):439-44. Disponible en: https://science.sciencemag.org/content/360/6387/439

Xie F, Ye L, Chang JC, Beyer AI, Wang J, Muench MO, et al. Seamless gene correction of β-thalassemia mutations in patient-specific iPSCs using CRISPR/Cas9 and piggyBac. Genome Res [Internet]. septiembre de 2014;24(9):1526-33. Disponible en: http://genome.cshlp.org/lookup/doi/10.1101/gr.173427.114

Firth AL, Menon T, Parker GS, Qualls SJ, Lewis BM, Ke E, et al. Functional Gene Correction for Cystic Fibrosis in Lung Epithelial Cells Generated from Patient iPSCs. Cell Rep [Internet]. septiembre de 2015;12(9):1385-90. Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2211124715008529

Burt A, Crisanti A. Gene Drive: Evolved and Synthetic. ACS Chem Biol [Internet]. 16 de febrero de 2018;13(2):343-6. Disponible en: http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acschembio.7b01031

Evans SW, Palmer MJ. Anomaly handling and the politics of gene drives. J Responsible Innov [Internet]. 24 de enero de 2018;5(sup1):S223-42. Disponible en: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/23299460.2017.1407911

Novak BJ, Maloney T, Phelan R. Advancing a New Toolkit for Conservation: From Science to Policy. Cris J [Internet]. febrero de 2018;1(1):11-5. Disponible en: http://online.liebertpub.com/doi/10.1089/crispr.2017.0019

Kohl PA, Brossard D, Scheufele DA, Xenos MA. Public views about gene editing wildlife for conservation. Conserv Biol [Internet]. 8 de marzo de 2019; Disponible en: http://doi.wiley.com/10.1111/cobi.13310

Benítez Candia N, Riveros Maidana R, Méndez Ferreira A, Fernández Ríos D. Plant breeding in the age of genome editing. Steviana. 2018;10(1 (supl)):20.

ELSEVIER. CRISPR Infographic [Internet]. Research Intelligence. 2016 [citado 12 de diciembre de 2018]. Disponible en: https://www.elsevier.com/research-intelligence/campaigns/crispr

Koonin E V. Open questions: CRISPR biology. BMC Biol [Internet]. 24 de diciembre de 2018;16(1):95. Disponible en: https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-018-0565-9

Pallarès Masmitjà M, Knödlseder N, Güell M. CRISPR-gRNA Design. En 2019. p. 3-11. Disponible en: http://link.springer.com/10.1007/978-1-4939-9170-9_1

Fu BXH, Smith JD, Fuchs RT, Mabuchi M, Curcuru J, Robb GB, et al. Target-dependent nickase activities of the CRISPR–Cas nucleases Cpf1 and Cas9. Nat Microbiol [Internet]. 4 de mayo de 2019;4(5):888-97. Disponible en: http://www.nature.com/articles/s41564-019-0382-0

Chow RD, Wang G, Ye L, Codina A, Kim HR, Shen L, et al. In vivo profiling of metastatic double knockouts through CRISPR–Cpf1 screens. Nat Methods [Internet]. 8 de mayo de 2019;16(5):405-8. Disponible en: http://www.nature.com/articles/s41592-019-0371-5

Adli M. The CRISPR tool kit for genome editing and beyond. Nature Communications. 2018.

Alton EWFW, Boyd AC, Davies JC, Gill DR, Griesenbach U, Harrison PT, et al. Genetic medicines for CF: Hype versus reality. Pediatr Pulmonol [Internet]. octubre de 2016;51(S44):S5-17. Disponible en: http://doi.wiley.com/10.1002/ppul.23543

Conboy I, Murthy N, Etienne J, Robinson Z. Making gene editing a therapeutic reality. F1000Research [Internet]. 21 de diciembre de 2018;7:1970. Disponible en: https://f1000research.com/articles/7-1970/v1

Luther DC, Lee YW, Nagaraj H, Scaletti F, Rotello VM. Delivery approaches for CRISPR/Cas9 therapeutics in vivo : advances and challenges. Expert Opin Drug Deliv [Internet]. 2 de septiembre de 2018;15(9):905-13. Disponible en: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17425247.2018.1517746

Pineda M, Lear A, Collins JP, Kiani S. Safe CRISPR: Challenges and Possible Solutions. Trends Biotechnol [Internet]. abril de 2019;37(4):389-401. Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0167779918302634

Bartkowski B, Theesfeld I, Pirscher F, Timaeus J. Snipping around for food: economic, ethical and policy implications of CRISPR/Cas genome editing. Geoforum [Internet]. noviembre de 2018;96:172-80. Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0016718518302215

Dayan F. CRISPR Cas-9 genome editing and Islam: a religious perspective. Bangladesh J Med Sci [Internet]. 30 de diciembre de 2018;18(1):7-13. Disponible en: https://banglajol.info/index.php/BJMS/article/view/39540

Brokowski C. Do CRISPR Germline Ethics Statements Cut It? Cris J [Internet]. abril de 2018;1(2):115-25. Disponible en:

http://www.liebertpub.com/doi/10.1089/crispr.2017.0024

Shew AM, Nalley LL, Snell HA, Nayga RM, Dixon BL. CRISPR versus GMOs: Public acceptance and valuation. Glob Food Sec [Internet]. diciembre de 2018;19:71-80. Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2211912418300877

Isa NM, Zulkifli NA, Man S. Islamic Perspectives on CRISPR/Cas9-Mediated Human Germline Gene Editing: A Preliminary Discussion. Sci Eng Ethics [Internet]. 4 de marzo de 2019; Disponible en: http://link.springer.com/10.1007/s11948-019-00098-z

Eş I, Gavahian M, Marti-Quijal FJ, Lorenzo JM, Mousavi Khaneghah A, Tsatsanis C, et al. The application of the CRISPR-Cas9 genome editing machinery in food and agricultural science: Current status, future perspectives, and associated challenges. Biotechnol Adv [Internet]. mayo de 2019;37(3):410-21. Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0734975019300254

Cathomen T, Schüle S, Schüßler-Lenz M, Abou-El-Enein M. The Human Genome Editing Race: Loosening Regulatory Standards for Commercial Advantage? Trends Biotechnol [Internet]. febrero de 2019;37(2):120-3. Disponible en: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0167779918301690

Whelan AI, Lema MA. Regulatory framework for gene editing and other new breeding techniques (NBTs) in Argentina. GM Crops Food [Internet]. octubre de 2015 [citado 6 de junio de 2016];6(4):253-65. Disponible en: http://dx.doi.org/10.1080/21645698.2015.1114698

Eriksson D, Kershen D, Nepomuceno A, Pogson BJ, Prieto H, Purnhagen K, et al. A comparison of the EU regulatory approach to directed mutagenesis with that of other jurisdictions, consequences for international trade and potential steps forward. New Phytol [Internet]. 16 de junio de 2019;222(4):1673-84. Disponible en: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.15627


Enlaces refback

  • No hay ningún enlace refback.



Creative Commons License Todo el contenido de esta revista, excepto dónde está identificado, está bajo una Licencia Creative Commons

---------------------------------------------------------------------------------------------


Mem. Inst. Investig. Cienc. Salud