CRISPR за идентифициране кои гени са важни за коронавирусната инфекция

Две скорошни проучвания, публикувани в Cell, прилагат инструменти за редактиране на генома CRISPR, за да изследват кои гени на гостоприемника са важни за коронавирусната инфекция и за да идентифицират потенциални терапевтични насоки срещу COVID-19.

Само за осем години системата за редактиране на генома CRISPR направи революция в областта на биотехнологиите и биомедицината, предоставяйки приложения от голям интерес за изследване на болести и търсене на лечения. Доказателство за неговата значимост е неотдавнашната Нобелова награда за химия за 2020 година, присъдена на Еманюел Шарпентие и Дженифър Дудна, за техния принос в развитието на универсалния метод за редактиране на гени.

Инструментите CRISPR са използвани по различни поводи, за да се определи кои гени са важни за развитието на заболяванията и да се идентифицират потенциалните терапевтични цели. С напредването на пандемията COVID-19 различни изследователски групи са се обърнали към нейното използване, за да разберат по-добре как вирусът действа в човешките клетки и да разработят начини за справяне с него. 

Технологията за редактиране на геноми CRISPR, която революционизира областта на биотехнологиите и биомедицината, се използва широко в изследванията на COVID-19. Снимка: Ernesto del Aguiila, National Human Genome Research Institute (www.genome.gov).

 Идентифицирани провирусни фактори с потенциал за проучване на терапии

В първото от проучванията изследователи от Йейлския университет и Широкия институт на Харвардския университет и Масачузетския технологичен институт са използвали системата CRISPR, за да проследят кои гени са важни за инфекцията на SARS-CoV-2 и други коронавируси.

Изследователите са използвали клетки на примати, специално чувствителни към инфекция със SARS-CoV-2 и са проследили чрез насочено медиирана CRISPR мутация кои гени благоприятстват или предпазват инфекцията от вируси. Чрез тази стратегия екипът е идентифицирал белтъци на гостоприемници, които вече са известни с участието си в инфекцията от SARS-CoV-2, като ACE2 рецептора или протеазата Катепсин L.

Освен това изследователите са идентифицирали и други провирусни елементи, както и фактори, които осигуряват защитен ефект. Сред първите са открили както провирусни фактори, специфични за коронавирусите от тип SARS, като например HMGB1, така и общи фактори от семейството на коронавирусите, като SWI / SNF комплекс за ремоделиране на хроматин. Сред факторите, които осигуряват защитен ефект, се откроява комплексът хистон 3, който изглежда инхибира способността на вируса да инфектира клетките.

Следващата стъпка на изследователите е  била използване на лекарства или малки молекули, които инхибират действието на идентифицираните провирусни фактори, за да се види ефектът им върху инфекцията. Лечението на някои от тях успя да инхибира коронавирусната инфекция в клетки на примати и в човешки клетки, което потвърждава потенциала на гените, идентифицирани като прицелни точки срещу действието на коронавируса.

Резултатите от работата допринасят за разбирането защо хората реагират по различен начин на коронавирусната инфекция, тъй като генетичните и екологични фактори могат да повлияят на действието на провирусни или защитни фактори. „Много е важно да се разбере широката вариация в отговорите на COVID-19, например защо по-голямата възраст прави хората по-склонни да умрат“; казва Крейг Вилен, изследовател от Йейлския университет и един от директорите на работата. "Идентифицирахме както провирусни, така и антивирусни гени, които биха могли да ни помогнат да предскажем кой е най-вероятно да развие тежка форма на заболяването и какъв клас лекарства биха били полезни или вредни при лечението на пациенти."

Изображения на частици коронавирус на SARS-CoV-2, излизащи от заразена клетка. Снимка: National Institute of Allergy and Infectious Diseases. CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/).

Трафик на протеини и биосинтез на холестерол, участващи в вирусна инфекция

В паралелно проучване, водено от Нюйоркския център за геноми, Нюйоркският университет и Университетът Маунт Синай са извършили подобен CRISPR скрининг, където са идентифицирали кои човешки гени са необходими за инфекция със SARS-CoV-2.

В този случай изследователите са използвали човешки алвеоларни епителни клетки за скрининг чрез CRISPR, което е позволило да се идентифицират различни гени и молекулярни пътища, необходими за действието на SARS-CoV-2, които когато са инхибирани, придават устойчивост срещу вируса. Сред тях екипът подчертава протеиновите комплекси, участващи в трафика на протеини, някои от които взаимодействат директно с вирусни протеини.

Интересното е, че изследователите са открили, че загубата на няколко от идентифицираните гени води до увеличаване на регулирането на пътищата на биосинтеза на холестерола и че лечението с амлодипин, лекарство антагонист на калциевите канали, което променя нивата на холестерола, блокира коронавирусната инфекция. „Тъй като последните клинични проучвания също така предполагат, че пациентите, приемащи блокиращи агенти на калциевите канали, имат смъртност в случаите на COVID-19, важна бъдеща насока за изследване ще бъде да продължи да се осветява връзката между синтезните пътища на холестерол и SARS-CoV-2 “, казва Тристан Джордан, изследовател в Медицинското училище на Университета Маунт Синай и един от първите автори на работата.

Друг релевантен резултат от работата е идентифицирането на връзката на гена RAB7A с ACE2 рецептора, основния вход на коронавируса в човешките клетки. Изследователите са открили, че загубата на RAB7A, изтегля ACE2 рецептора вътре в клетките, предотвратявайки по този начин навлизането на вируса в клетките. В този смисъл RAB7A се явява като терапевтична цел с голям потенциал. „Текущите лечения срещу SARS-CoV-2 са насочени към вируса, но това проучване предлага по-добро разбиране за това как гените на гостоприемника влияят върху навлизането на вирусите и ще отвори нови пътища за терапевтични открития като се надяваме да ускори възстановяването при податливи групи ”, казва Невил Санджана, професор в Нюйоркския център за геноми и Нюйоркския университет и един от ръководителите на работата.

CRISPR в разследване на COVID-19

Многофункционалността на системите CRISPR направи възможно използването им в множество области на изследване на COVID-19, като например разработването на системи за откриване на вируси, създаването на животински модели за изследване как действа в организмите или разработването на стратегии да го унищожи.

Сега CRISPR се използва в комбинация с други техники за анализ, за ​​да се изследва кои гени на гостоприемни клетки участват в инфекцията. Двете проучвания, публикувани в Cell, представляват още един подход за подобряване на знанията за това как работи коронавирусът на SARS-CoV-2 и за идентифициране на терапевтични решения за справяне с него.

Публикувано на 30 Октомври, 2020

Amparo Tolosa, Genotipia

Източник: CRISPR para identificar qué genes son importantes para la infección por coronavirus

Referencias:

Wei J, et al. Genome-wide CRISPR screens reveal host factors critical for SARS-CoV-2 infection. Cell. 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.028

Daniloski Z, et al. Identification of required host factors for SARS-CoV-2 infection in human cells. Cell. 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.030

Additional COVID-19 related genes – both helpful and harmful – revealed in massive screen. https://www.broadinstitute.org/news/additional-covid-19-related-genes-%E2%80%93-both-helpful-and-harmful-%E2%80%93-revealed-massive-screen

Integrative Genome-Scale CRISPR Screen Identifies Genes and Drug Targets To Protect Against SARS-CoV-2 Infection. https://www.nygenome.org/integrative-genome-scale-crispr-screen-identifies-genes-and-drug-targets-to-protect-against-sars-cov-2-infection/