Аннотация
Цель исследования. Проанализировать потенциальные риски и технологические ограничения применения методов редактирования генома при нейродегенеративных заболеваниях, а также оценить перспективы их внедрения в клиническую практику. Материал и методы. Проведен систематический анализ литературы за период 2014–2024 гг. в базах данных PubMed, Cochrane Library, ClinicalTrials.gov, SAGE Premier, Springer и Wiley Journals. Рассмотрены ключевые риски применения технологий редактирования генома, включая нецелевые эффекты, иммунологические реакции и долгосрочные последствия изменений в ДНК нервной ткани. Результаты. Проанализированы основные технологические ограничения, в том числе проблемы доставки через гематоэнцефалический барьер, низкая эффективность редактирования в постмитотических нейронах и сложности долгосрочной экспрессии компонентов систем редактирования. Оценены перспективы внедрения технологий в клиническую практику с учетом текущего регуляторного ландшафта в различных странах. Заключение. Несмотря на существенные технологические вызовы и потенциальные риски, развитие методов редактирования генома открывает перспективы для создания эффективных методов лечения нейродегенеративных заболеваний. Ключевыми направлениями дальнейших исследований являются повышение безопасности и специфичности редактирования, оптимизация систем доставки и разработка методов долгосрочного мониторинга последствий генетических модификаций в нервной системе.
Ключевые слова
Авторы и аффилиации
Л.С. Эверт(1, 3), Т.В. Потупчик(2), О.Ф. Веселова(2), И.С. Светлакова(4),
В.А. Панченко(4), Р.Р. Кужашева(5), А.Н. Мельникова(6)
1-Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр
Сибирского отделения Российской академии наук», обособленное подразделение –
Научно-исследовательский институт медицинских проблем Севера,
Российская Федерация, 660022, Красноярск, ул. Партизана Железняка, д. 3Г;
2-ФГБОУ ВО «Красноярский государственный медицинский университет имени профессора
В.Ф. Войно-Ясенецкого» Министерства здравоохранения Российской Федерации,
Российская Федерация, 660022, Красноярск, ул. Партизана Железняка, д. 1;
3-Хакасский государственный университет имени Н.Ф. Катанова
Министерства науки и высшего образования РФ, Медицинский институт,
Российская Федерация, 655017, Абакан, проспект Ленина, д. 90;
4-ФГАОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет
им.и Н.И. Пирогова» Министерства здравоохранения Российской Федерации,
Российская Федерация, 117997, Москва, ул. Островитянова, д. 1;
5-ФГБОУ ВО «Башкирский государственный медицинский университет»
Министерства здравоохранения Российской Федерации,
Российская Федерация, 450008, Республика Башкортостан, Уфа, ул. Ленина, д. 3;
6-Областное бюджетное учреждение здравоохранения «Золотухинская центральная районная больница», Российская Федерация, 306020, Курская область, Золотухинский район,
рабочий поселок Золотухино, ул. Кирова, д. 81
Литература
Yuan B., Bi C., Tian Y., Wang J., Jin Y., Alsayegh K., Tehseen M. et al. Modulation of the microhomology-mediated end joining pathway suppresses large deletions and enhances homology-directed repair following CRISPR-Cas9-induced DNA breaks. BMC Biology. 2024; 101.
Park H., Shin J., Kim Y., Saito T., Saido T.C., Kim J. CRISPR/dCas9-Dnmt3a-mediated targeted DNA methylation of APP rescues brain pathology in a mouse model of Alzheimer’s disease. Neurodegener. 2022; 11 (1): 41. DOI: 10.1186/s40035-022-00314-0
Hunt J.M.T., Samson C.A., Rand A., Sheppard H.M. Unintended CRISPR-Cas9 editing outcomes: a review of the detection and prevalence of structural variants generated by gene-editing in human cells. Hum Genet. 2023; 142: 705–20. DOI:10.1007/s00439-023-02561-1
Wouters Y., Jaspers T., De Strooper B., Dewilde M. Identification and in vivo characterization of a brain-penetrating nanobody. Fluids Barriers CNS. 2020; 17 (1): 62. DOI: 10.1186/s12987-020-00226-z.
Waheed S., Li Z., Zhang F., Chiarini A., Armato U., Wu J. Engineering nano-drug biointerface to overcome biological barriers toward precision drug delivery. J. Nanobiotechnol. 2022; 20: 395. DOI: 10.1186/s12951-022-01605-4
Chew W.L., Tabebordbar M., Cheng J.K., Mali P., Wu E.Y., Ng A.H., Zhu K. et al. A multifunctional AAV–CRISPR–Cas9 and its host response. Nature Methods. 2016; 13 (10): 868–74. DOI:10.1038/NMETH.3993.
Chien Y., Hsiao Y.J., Chou S.J., Lin T.-Y., Yarmishyn A.A., Lai W.-Y., Lee M.-S. et al. Nanoparticles-mediated CRISPR-Cas9 gene therapy in inherited retinal diseases: applications, challenges, and emerging opportunities. J. Nanobiotechnol. 2022; 20: 511. DOI: 10.1186/s12951-022-01717-x.
Haery L., Deverman B.E., Matho K.S., Cetin A., Woodard K., Cepko C., Guerin K. I. et al. Adeno-Associated Virus Technologies and Methods for Targeted Neuronal Manipulation. Frontiers in Neuroanatomy. 2019; 13: 493120. DOI: 10.3389/fnana.2019.00093.
Rincon M.Y., De Vin F., Duqué S.I., Fripont S., Castaldo S.A., Holt M.G. Widespread transduction of astrocytes and neurons in the mouse central nervous system after systemic delivery of a self-complementary AAV-PHP.B vector. Gene Therapy. 2018; 25 (2): 83–92. DOI: 10.1038/s41434-018-0005-z.
Nishiyama J., Mikuni T., Yasuda R. Virus-Mediated Genome Editing via Homology-Directed Repair in Mitotic and Postmitotic Cells in Mammalian Brain. Neuron. 2017; 96 (4): 755–68.e5. DOI: 10.1016/j.neuron.2017.10.004.
. Fang H., Bygrave A.M., Roth R.H., Johnson R.C, Huganir R.L. An optimized CRISPR/Cas9 approach for precise genome editing in neurons. ЕLife. 2021; 10: e65202. DOI: 10.7554/eLife.65202.
Guo T., Feng Y.L., Xiao J., Liu Q., Sun X.-N., Xiang J.-F, Kong N. et al. Harnessing accurate non-homologous end joining for efficient precise deletion in CRISPR/Cas9-mediated genome editing. Genome Biol. 2018; 19 (1): 170. DOI: 10.1186/s13059-018-1518-x.
. Lotfi M., Ashouri A., Mojarrad M., Mozaffari-Jovin S., Abbaszadegan M.R. Design Principles of a Novel Construct for HBB Gene-Editing and Investigation of Its Gene-Targeting Efficiency in HEK293 Cells. Mol. Biotechnol. 2024; 66 (3): 517–30. DOI: 10.1007/s12033-023-00739-6.
Koshland D., Tapia H. Desiccation tolerance: an unusual window into stress biology. Mol. Biol. Cell. 2019; 30 (6): 737–41. DOI: 10.1091/mbc.E17-04-0257.
Charlesworth C.T., Deshpande P.S., Dever D.P., Dejene B., Gomez-Ospina N., Mantri S., Pavel-Dinu M. et al. Identification of Pre-Existing Adaptive Immunity to Cas9 Proteins in Humans. Nature Medicine. 2019; 25: 249–54. DOI: 10.1038/s41591-018-0326-x
Samach A., Mafessoni F., Gross O., Melamed-Bessudo C., Filler-Hayut S., Dahan-Meir T., Amsellem Z. et al. CRISPR/Cas9-induced DNA breaks trigger crossover, chromosomal loss, and chromothripsis-like rearrangements. The Plant Cell. 2023; 35 (11): 3957–72. DOI: 10.1093/plcell/koad209
Dabrowska M., Ciolak A., Kozlowska E., Fiszer A., Olejniczak M. Generation of New Isogenic Models of Huntington’s Disease Using CRISPR-Cas9 Technology. International J. of Molecular Sciences. 2019; 21 (5): 1854. DOI: 10.3390/ijms21051854
Mullard A. CRISPR technologies are going to need a bigger toolbox. Nat Rev Drug Discov. 2021; 20 (11): 808–9. DOI: 10.1038/d41573-021-00177-6
Willems J., de Jong A.P.H., Scheefhals N., Mertens E., Catsburg L.A.E., Poorthuis R.B., de Winter F. et al. ORANGE: A CRISPR/Cas9-based genome editing toolbox for epitope tagging of endogenous proteins in neurons. PLoS Biology. 2020; 18 (4): e3000665. DOI: 10.1371/journal.pbio.3000665
Chang W., Zhao Y., Rayêe D., Xie Q., Suzuki M., Zheng D., Cvekl A. Dynamic changes in whole genome DNA methylation, chromatin and gene expression during mouse lens differentiation. Epigenetics Chromatin. 2023; 16 (1): 4. DOI: 10.1186/s13072-023-00478-7.
Zhao L., Zhou Q., He L., Deng L., Lozano-Duran R., Li G., Zhu J.-K. DNA methylation underpins the epigenomic landscape regulating genome transcription in. Arabidopsis. Genome Biol. 2022; 23 (1): 197. DOI: 10.1186/s13059-022-02768-x.
Disatham J., Brennan L., Jiao X., Ma Z., Hejtmancik J.F., Kantorow M. Changes in DNA methylation hallmark alterations in chromatin accessibility and gene expression for eye lens differentiation. Epigenetics Chromatin. 2022; 15 (1): 8. DOI: 10.1186/s13072-022-00440-z .
. Zhong, Z., Xue, Y., Harris, C.J., Wang M., Li Z., Ke Y., Liu M. et al. MORC proteins regulate transcription factor binding by mediating chromatin compaction in active chromatin regions. Genome Biol. 2023; 24 (1): 96. DOI: 10.1186/s13059-023-02939-4.
. Viscomi C., van den Ameele J., Meyer K.C., Chinnery P.F. Opportunities for mitochondrial disease gene therapy. Nature Reviews Drug Discovery. 2023; 22 (6): 429–30. DOI: 10.1038/d41573-023-00067-z.
. Phan H.T.L., Lee H., Kim K. Trends and prospects in mitochondrial genome editing. Experimental Molecular Medicine. 2023; 55 (5): 871–8. DOI: 10.1038/s12276-023-00973-7.
Bazzani V., Redin M.E., McHale J., Perrone L., Vascotto C. Mitochondrial DNA Repair in Neurodegenerative Diseases and Ageing. Int J. Mol. Sci. 2022; 23 (19): 11391. DOI: 10.3390/ijms231911391.
Leng K., Kampmann M. Towards elucidating disease-relevant states of neurons and glia by CRISPR-based functional genomics. Genome Med. 2022; 14: 130. DOI: 10.1186/s13073-022-01134-7.
Meneghini V., Peviani M., Luciani M., Zambonini G., Gritti A. Delivery Platforms for CRISPR/Cas9 Genome Editing of Glial Cells in the Central Nervous System. Frontiers in Genome Editing. 2021; 3: 644319. DOI: 10.3389/fgeed.2021.644319.
Gutierrez G.B., Liang H., Rezaie N., Carvalho K., Forner S., Matheos D., Rebboah E. et al. Single-cell and nucleus RNA-seq in a mouse model of AD reveal activation of distinct glial subpopulations in the presence of plaques and tangles. BioRxiv preprint. 2021. DOI: 10.1101/2021.09.29.462436.
Thompson T. How CRISPR gene editing could help treat Alzheimer’s. Nature. 2024; 625 (7993): 13–4. DOI: 10.1038/d41586-023-03931-5.
Zhou H., Ye P., Xiong W. Duan X., Jing S., He Y., Zeng Z. et al. Genome-scale CRISPR-Cas9 screening in stem cells: theories, applications and challenges. Stem Cell Res Ther. 2024; 15 (1): 218. DOI: 10.1186/s13287-024-03831-z
Lin Y., Li J., Li C., Tu Z., Li S., Li X., Yan, S. Application of CRISPR/Cas9 System in Establishing Large Animal Models. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2022; 10: 919155. DOI: 10.3389/fcell.2022.919155
Jiang P., Alam M. M. Rise of the human-mouse chimeric brain models. Cell Regeneration. 2022; 11 (1): 1–4. DOI: 10.1186/s13619-022-00135-6
Kleinstiver B.P., Pattanayak V., Prew M.S., Tsai S.Q., Nguyen N.T., Zheng Z., Joung J.K. (2015). High-fidelity CRISPR–Cas9 nucleases with no detectable genome-wide off-target effects. Nature. 2015; 529 (7587): 490–5. DOI: 10.1038/nature16526
. Shen B., Zhang W., Zhang J., Zhou J., Wang J., Chen L., Wang L. et al. Efficient genome modification by CRISPR-Cas9 nickase with minimal off-target effects. 2014. Nature Methods. 2014; 11 (4): 399–402. DOI: 10.1038/nmeth.2857
. Anzalone A.V., Randolph P.B., Davis J.R., Sousa A.A., Koblan L.W., Levy J. M., Chen P.J. et al. Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA. Nature. 2019; 576 (7785): 149–57. DOI: 10.1038/s41586-019-1711-4
. Konermann S., Brigham M.D., Trevino A.E., Joung J., Abudayyeh O.O., Barcena C., Hsu P.D. et al. Genome-scale transcriptional activation by an engineered CRISPR-Cas9 complex. Nature. 2014; 517 (7536): 583. DOI: 10.1038/nature14136
Liu X.S., Wu H., Ji X., Stelzer Y., Wu X., Czauderna S., Shu J. et al. Editing DNA Methylation in the Mammalian Genome. Cell. 2016; 167 (1): 233–47. DOI: 10.1016/j.cell.2016.08.056
. Cox D.B.T., Gootenberg J.S., Abudayyeh O.O., Franklin B., Kellner M.J., Joung J., Zhang F. RNA editing with CRISPR-Cas13. Science. 2017; 358 (6366): 1019–27. DOI: 10.1126/science.aaq0180
Merkle T., Merz S., Reautschnig P., Blaha A., Li Q., Vogel P., Wettengel J. Precise RNA editing by recruiting endogenous ADARs with antisense oligonucleotides Nat Biotechnol. 2019; 37 (2): 133–8. DOI: 10.1038/s41587-019-0013-6.
Dunbar C.E., High K.A., Joung J.K., Kohn D.B., Ozawa K., Sadelain M. Gene therapy comes of age. Science. 2018; 359 (6372): eaan4672. DOI: 10.1126/science.aan4672.
Ross C.A., Aylward E.H., Wild E.J., Langbehn D.R., Long J.D., Warner J.H., Scahill R.I. et al. Huntington disease: Natural history, biomarkers and prospects for therapeutics. Nature Reviews Neurology. 2014; 10 (4): 204–16. DOI: 10.1038/nrneurol.2014.24.
. Valdes P., Caldwell A.B., Liu Q., Fitzgerald M.Q., Ramachandran S., Karch C.M., Galasko D.R. et al. Integrative multiomics reveals common endotypes across PSEN1, PSEN2, and APP mutations in familial Alzheimer’s disease. Alz Res Therapy. 2025; 17: 5. DOI: 10.1186/s13195-024-01659-6
. Chia R., Chio A., Traynor B.J. Novel genes associated with amyotrophic lateral sclerosis: diagnostic and clinical implications. The Lancet Neurology. 2018; 17 (1): 94–102. DOI: 10.1016/S1474-4422(17)30401-5.
Hudry E., Vandenberghe L.H. Therapeutic AAV gene transfer to the nervous system: a clinical reality. Neuron. 2019; 101 (5): 839–62. DOI: 10.1016/j.neuron.2019.01.048.
. Cornu T.I., Mussolino C., Cathomen T. Refining strategies to translate genome editing to the clinic. Nature Medicine. 2017; 23 (4): 415–23. DOI: 10.1038/nm.4303.
Ginn S.L., Amaya A.K., Alexander I.E., Edelstein M., Abedi M.R., Cavazzana M. Gene therapy clinical trials worldwide to 2017: An update. J. of Gene Medicine. 2018; 20 (5): e3015. DOI: 10.1002/jgm.3015.
. Wang D., Tai P.W.L., Gao G. Adeno-associated virus vector as a platform for gene therapy delivery. Nature Reviews Drug Discovery. 2019; 18 (5): 358–78. DOI: 10.1038/s41573-019-0012-9.
. Hampson G., Towse A., Pearson S.D., Dreitlein W.B., Henshall C. Gene therapy: evidence, value and affordability in the US health care system. Journal of Comparative Effectiveness Research. 2019; 8 (14): 1013–28. DOI: 10.2217/cer-2019-0047.
. U.S. Food and Drug Administration. Human Gene Therapy for Neurodegenerative Diseases: Guidance for Industry. 2019. URL: https://www.fda.gov/regulatory-information/search-fda-guidance-documents/human-gene-therapy-neurodegenerative-diseases. (accessed: 1.03.2025).
. National Institutes of Health. CRISPR Research Funding. 2021. URL: https://report.nih.gov. (accessed: 1.03.2025).
. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. Heritable Human Genome Editing. 2020. DOI:10.17226/25665
EMA. Guideline on quality, non-clinical and clinical aspects of gene therapy medicinal products. 2021. URL: https://www.ema.europa.eu/en/documents/scientific-guideline/guideline-quality-non-clinical-clinical-aspects-gene-therapy-medicinal-products-revision-1_en.pdf]. (accessed: 1.03.2025).
Council of Europe. Convention on Human Rights and Biomedicine (Oviedo Convention). 1997. URL: https://www.coe.int/en/web/conventions/full-list/-/conventions/treaty/164. (accessed: 1.03.2025).
. Qiu J. China’s CRISPR babies: more ethical questions. Nature. 2019; 566 (7745): 427–8. DOI: 10.1038/d41586-019-00673-1.
. Li H., Yang Y., Hong W., Huang M., Wu M., Zhao X. Applications of genome editing technology in the targeted therapy of human diseases: mechanisms, advances and prospects. Signal Transduction and Targeted Therapy. 2020; 5 (1): 1. DOI: 10.1038/s41392-019-0089-y.
. Matsuyama K. Japan to allow genome editing in human embryos for research. Nature News. 2018. DOI: 10.1038/d41586-018-02110-0.
. Gibney E. UK scientists gain licence to edit genes in human embryos. Nature. 2016; 530 (7588): 18. DOI: 10.1038/nature.2016.19270.
. TGA. Regulation of gene technology in Australia. 2018. URL: https://www.tga.gov.au. (accessed: 1.03.2025).
. Еськова В.А. Правовое регулирование редактирования генома человека. Уральский журнал правовых исследований. 2022; 2 (19): 29–33. [Eskova V.A. Legal regulation of human genome editing. Ural J. of Legal Research. 2022; 2 (19): 29–33. DOI: 10.34076/2658_512X_2022_2_29 (In Russian)].
. Особенности национально-правового регулирования геномных исследований в отдельных государствах. Международный правовой курьер. 2023. [Peculiarities of national legal regulation of genomic research in individual states. International Legal courier. 2023. URL: https://inter-legal.ru/osobennosti-natsionalno-pravovogo-regulirovaniya-genomnyh-issledovanij-v-otdelnyh-gosudarstvah (accessed: 1.03.2025) (In Russian)].
. Мохов А.А., Бутнару Д.В., Яворский А. Н. Редактирование генома эмбриона человека: правовой аспект. Образование и право. 2019; 1: 227–34. [Mokhov A.A., Butnaru D.V., Yavorskiy A.N. Editing of the human embryo genome: a legal aspect. Education and law. 2019; 1: 227–34 (In Russian)].
. WHO. Human genome editing: recommendations. 2021. URL: https://www.who.int/publications/i/item/9789240030942. (accessed: 1.03.2025).