Использование новых стратегий биоинформатики на этапе проектирования растений с редактированным геномом (обзор)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Идентификация рисков, связанных с новыми сельскохозяйственными продуктами растительного происхождения, полученными технологией геномного редактирования, – важный компонент генной инженерии. Острая дискуссия продолжается во всем мире о сходстве и различиях между “старыми” рисками “классических” ГМО и “новыми”, связанными с геномным редактированием растений, отсутствием методов идентификации новых рисков и их оценки. В настоящей статье разрабатывается новый перспективный инструмент обеспечения биобезопасности – концепция “безопасного проектирования”, вводящая хорошо известные стандарты безопасности в биоинженерию растений. Суть этой стратегии состоит в проведении редизайна для последовательной минимизации или предотвращения рисков, а также нецелевых эффектов геномного редактирования на этапе концепта. Учитывая, что корреляция между предсказанными in silico и определенными экспериментально нецелевыми эффектами гРНК является основной проблемой, осложняющей применение системы CRISPR, большинство исследований сегодня сосредоточено на эффективности дизайна гРНК. Напротив, настоящая работа сфокусирована на биоинформатическом поиске и изучении потенциальных промоторов, рассматриваемых как источник потенциальных рисков в случае их нецелевого редактирования и соответствующего изменения транскрипционной активности. Эти стратегии представлены нами в виде схемы оценки рисков для целей регулирования новых генетических технологий.

Об авторах

И. В. Яковлева

Институт биоинженерии им. К.Г. Скрябина, Федеральное государственное учреждение
“Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии”
Российской академии наук”

Автор, ответственный за переписку.
Email: iacgea@biengi.ac.ru
Россия, 117312, Москва

А. М. Камионская

Институт биоинженерии им. К.Г. Скрябина, Федеральное государственное учреждение
“Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии”
Российской академии наук”

Email: iacgea@biengi.ac.ru
Россия, 117312, Москва

Список литературы

  1. Zhu Y. // Biomed Res. Int. 2022. 2022:9978571. https://doi.org/10.1155/2022/9978571
  2. Eriksson D., Custers R., Edvardsson Björnberg K., Hansson S.O., Purnhagen K., Qaim M. et al. // Trends Biotechnol. 2020. V. 38. P. 231–234. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2019.12.002
  3. Parrott W. // Physiol Plant. 2018. V. 164. № 4. P. 406-411. https://doi.org/10.1111/ppl.12756
  4. Yunzhen L., Wenhao Y. // Sci. China Life Sci. 2020. V. 63. № 9. P. 1406–1409. https://doi.org/10.1007/s11427-020-1693-4
  5. Korotkov E.V., Yakovleva I.V., Kamionskaya A.M. // Appl. Biochem. Microbiol. 2021b). V. 57. № 2. P. 271–279. https://doi.org/10.1134/S000368382102006X
  6. Konstantakos V., Nentidis A., Krithara A., Paliouras G. // Nucleic Acids Research. 2022. V. 50. № 7. P. 3616–3637. https://doi.org/10.1093/nar/gkac192
  7. Yan J., Chuai G., Zhou C., Zhu Ch., Yang J., Zhang Ch., Gu F., Xu H., et al. // Brief. Bioinformatics. 2018. V. 19. P. 721–724. https://doi.org/10.1093/bib/bbx001
  8. Modrzejewski D., Hartung F., Sprink T., Krause D., Kohl Ch., Wilhelm R. // Environ. Evid. 2019. V. 8. P. 27. https://doi.org/10.1186/s13750-019-0171-5
  9. Modrzejewski D., Hartung F., Lehnert H., Sprink T., Kohl C., Keilwagen J., Wilhelm R. // Front Plant Sci. 2020. V. 11. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.574959
  10. MacLeod A., Spence N. // Emerg. Top Life Sci. 2020. V. 4. № 5. P. 449–452. https://doi.org/10.1042/ETLS20200343
  11. Hulme Ph.E. // BioScience. 2021. V. 71. № 7. P. 708–721. https://doi.org/10.1093/biosci/biab019
  12. UN News. https://news.un.org/en/story/2021/03/1087032
  13. CAST 2022. Council for Agricultural Science and Technology. https://www.cast-science.org
  14. Lassoued R., Macall D., Hesseln H., Phillips P.W.B., Smyth S.J. // Transgenic Res. 2019. V. 28. P. 247–256. https://doi.org/10.1007/s11248-019-00118-5
  15. Hua K., Zhang J., Botella J.R., Ma C., Kong F., Liu B., Zhu J.K. // Mol Plant. 2019. V. 12. № 8. P. 1047–1059. https://doi.org/10.1016/j.molp.2019.06.009
  16. Brende B. In The Global Risks Report 2020 World Economic Forum, Washington, USA, 2019, 15th Ed. Zeneva, Switzerland. P. 9–10.
  17. Bogner A., Torgersen H. // Policy. Front Plant Sci. 2018. V. 9. P. 1884. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01884
  18. Hellstrom T. // Technol. Soc. 2009. V. 31. P. 325–331. https://doi.org/10.1016/j.techsoc.2009.06.002
  19. Dragavtsev V. Academician Dragavtsev’s Protest Against the Presidium of the Russian Academy of Sciences “Give GMO Norms”. https://rossaprimavera.ru/article/04f0c499
  20. Fagan J., Antoniou M., Robinson Cl. // GMO Myths & Truths: A Citizen’s Guide to the Evidence on the Safety and Efficacy of Genetically Modified Crops and Foods. Earth Open Source. 2020.
  21. Chuchulina E.O. // Bulletin of Science. 2019. V. 4. № 6. P. 130–134.
  22. CBD 2012. Guidance on Risk Assessment of Living Modified Organisms. Convention on Biological Diversity. UNEP/CBD/BS/COP-MOP/6/13/Add.1; 2012. https://www.cbd.int/doc/meetings/bs/mop-06/official/mop-06-13-add1-en.pdf
  23. Guidelines for Assessing the Impact of Genetically Modified Organisms on the Environment and Health; In 2 Parts; 2005. Part 1. Introductory information, Accompanying Texts to Block Diagrams; ISEU: Moscow, Russia. 2005.
  24. European Commission 2001. Directive 2001/18/EC of The European Parliament and of the Council of 12 March 2001 on the Deliberate Release into the Environment of Genetically Modified Organisms. https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/H-TML/?uri=CELEX:32001L0018&from=EN.
  25. GSO 2141:2011. 2011 General Requirements for Genetically Modified Unprocessed Agricultural Products. https://www.gso.org.sa/store/standards/GSO:563263/-GSO%202141:2011.
  26. Order of the Ministry of Agriculture of the Russian Federation On Approval of the Methodology for the Production of Examinations (studies) of Biological Safety of Genetically Engineered Plants for Growing (release into the environment) on the Territory of the Russian Federation. 2020. http://base.garant.ru/400229383/.
  27. USDA-Animal and Plant Health Inspection Service 2020. Fed. Regist. 85: 29790. https://www.govinfo.gov/content/pkg/FR-2020-05-18/html/2020-10638.htm.
  28. Lema M.A. // J. Regul. Sci. 2021. V. 9. № 1. P. 1–15. https://doi.org/10.21423/jrs-v09i1lema
  29. USDAa 2019. MAFF Guidance for the Handling of Genome Edited Organisms under the Cartagena Act. – https://apps.fas.usda.gov/newgainapi/api/Report/Down-loadReportByFileName?fileName=MAFF%20Guidance%20for%20the%20Handling%20of%20Genome%-20Edited%20Organisms%20under%20the%20Cartagena%20Act_Tokyo_Japan_11-15-2019.
  30. USDAb 2019. Final MAFF Guidelines for the Handling of Genome Edited Feed and Feed Additives. – https://apps.fas.usda.gov/newgainapi/api/Report/-DownloadReportByFileName?fileName=Final%-20MAFF%20Guidelines%20for%20the%20Handling%20of%20Genome%20Edited%20Feed%20and-%20Feed%20Additives%20_Tokyo_Japan_03-22-2020.
  31. USDAc 2019. Japan Modifies Handling Procedures for Genome Edited Foods. https://www.fas.usda.gov/data/japan-japan-modifies-handling-procedures-genome-edited-foods.
  32. Draft Federal Law № 134176-8. 2022. “On Amendments to the Federal Law “On State Regulation in the Sphere of Genetic Engineering Activities”. https://sozd.duma.gov.ru/bill/134176-8#bh_histras.
  33. Schiemann J., Robienski J., Schleissing S., Spök A., Sprink T., Wilhelm R.A. // Front. Plant Sci. 2020. V. 11. P. 284. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00284
  34. Globus R., Qimrom U. // Cell Biochem. J. 2018. V. 119. № 2. P. 1291–1298. https://doi.org/10.1002/jcb.26303
  35. Metje-Sprink J. // Front. Plant Sci. 2019. V. 9. P. 133–141. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01957
  36. Ahmad N., Rahman M., Mukhtar Z., Zafar Y., Zhang B. // J Cell Physiol. 2020. V. 235. № 2. P. 666–682. https://doi.org/10.1002/jcp.29052
  37. Sturme M.H.J., van Berg J.P., Bouwman L.M.S., De Schrijver A., de Maagd R.A., Kleter G.A., Battaglia-de Wilde E. // ACS Agric. Sci. Technol. 2022. V. 2. P. 192–201. https://doi.org/10.1021/acsagscitech.1c00270
  38. Chandrasekaran J., Brumin M., Wolf D., Leibman D., Klap C., Pearlsman M. et al. // Mol. Plant Pathol. 2016. V. 17. № 7. P. 1140–1153. https://doi.org/10.1111/mpp.12375
  39. Arndell T., Sharma N., Langridge P., Baumann U., Watson-Haigh N.S., Whitford R. // BMC Biotechnol. 2019. V. 19. № 1. P. 71. https://doi.org/10.1186/s12896-019-0565-z
  40. Walton R.T., Christie K.A., Whittaker M.N., Kleinstiver B.P. // Science. 2020. V. 368. P. 290–296. https://doi.org/10.1126/science.aba8853
  41. Murugan K., Seetharam A.S., Severin A.J., Sashital, D.G. // J. Biol. Chem. 2020. V. 295. № 17. P. 5538–5553. https://doi.org/10.1074/jbc.RA120.012933
  42. Hong Y., Meng J., He X., Zhang Y., Liu Y., Zhang C., Qi. H., Luan Y. // Phytopathology. 2021. V. 11. № 6. https://doi.org/10.1094/PHYTO-08-20-0360-R
  43. Malnoy M., Viola R., Junget M.-H., Koo O.J., Kim S., Kim J.S. et al. // Front. Plant Sci. 2016. V. 7. P. 1904. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.01904
  44. Si X., Zhang H., Wang Y., Chen K., Gao C. // Nat. Protoc. 2020. V. 15. P. 338–363. https://doi.org/10.1038/s41596-019-0238-3
  45. Graham N., Patil G.B., Bubeck D.M., Dobert R.C., Glenn K.C., Gutsche A.T. et al. // Plant Physiol. 2020. V. 183. № 40. P. 1453–1471. https://doi.org/10.1104/pp.19.01194
  46. Hahn F., Nekrasov V. // Plant Cell Rep. 2019. V. 38. № 4. P. 437–441. https://doi.org/10.1007/s00299-018-2355-9
  47. Ahmad Sh., Wei X., Sheng Zh., Hu P., Tang Sh. // Brief Funct. Genomics. 2020. V. 19. № 01. P. 26–39. https://doi.org/10.1093/bfgp/elz041
  48. Faal G.P., Farsi M., Seifi A., Kakhki A.M. // Mol. Biol. Rep. 2020. V. 47. P. 3369–3376. https://doi.org/10.1007/s11033-020-05409-3
  49. Waterworth W.M., Drury G.E., Bray C.M., Westet Ch.E. // New Phytol. 2011. V. 192. P. 805–822. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2011.03926.x
  50. O’Conner S., Li L. // Front. Plant Sci. 2020. V. 11. P. 600117. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.600117
  51. Ellens K.W., Levac D., Pearson C., Savoie A., Strand N., Louter J., Tibelius C. // Transgenic Res. 2019. V. 28 (Suppl. 2). P. 165–168. https://doi.org/10.1007/s11248-019-00153-2
  52. Xu W., Fu W., Zhu P., Li Z., Wang C., Wang C. et al. // Int. J. Mol. Sci. 2019. V. 20. № 17. P. 4125. https://doi.org/10.3390/ijms20174125
  53. Weng M.L., Becker C., Hildebrandt J., Neumann M., Rutter M.T., Shaw R.G. et al. // Genetics. 2019. V. 211. № 2. P. 703–714. https://doi.org/10.1534/genetics.118.301721
  54. Young J., Zastrow-Hayes G., Deschamps S. et al. // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 6729.https://doi.org/10.1038/s41598-019-43141-6
  55. Tang X., Liu G., Zhou J., Ren Q., You Q., Tian L. et al. // Genome Biol. 2018. V. 19. P. 84.https://doi.org/10.1186/s13059-018-1458-5
  56. Li J., Manghwar H., Sun L., Wang P., Wang G., Sheng H. et al. // Plant Biotechnol J. 2019. V. 17. № 5. P. 858–868. https://doi.org/10.1111/pbi.13020
  57. Tsai H., Missirian V., Ngo K.J., Tran R.K., Chan S.R., Sundaresan V., Comai L. // Plant Physiol. 2013. V. 161. № 4. P. 1604–1614. https://doi.org/10.1104/pp.112.213256
  58. Song H., Park J.-I., Hwang B.-H., Yi H., Kim H., Hur Y. // Agronomy. 2020. V. 10. № 4. P. 602. https://doi.org/10.3390/agronomy10040602
  59. Korotkov E.V., Suvorova Y.M., Nezhdanova A.V., Gaidukova S.E., Yakovleva I.V., Kamionskaya A.M., Korotkova M.A. // Symmetry. 2021. V. 13. № 6. P. 917–937. https://doi.org/10.3390/sym13060917
  60. Suvorova Y.M., Kamionskaya A.M., Korotkov E.V. // BMC Bioinform. 2022. V. 22(1). P. 42. https://doi.org/10.1186/s12859-021-03977-0
  61. Korotkov E.V., Kamionskaya A.M., Suvorova Yu.M. // Biotechnologiya. 2020. V. 36. № 4. P. 15–20. https://doi.org/10.21519/0234-2758-2020-36-4-15-20
  62. Korotkova M.A., Kamionskya A.M., Korotkov E.V. In: Proceedings of the J. Physics: Conference Series; The VI Int. Conference on Laser&Plasma Researches and Technologies; LaPlas, USA; Moscow, Russia 2020. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1686/1/012031
  63. Salieri B., Barruetabeña L., Rodríguez-Llopis I., Jacobsen N.R., Manier N., Trouiller B. et al. // NanoImpact. 2021. V. 23. https://doi.org/10.1016/j.impact.2021.100335
  64. EU-SAGE 2022. https://www.eu-sage.eu/genome-search
  65. Wolt J.D. // Prog. Mol. Biol. Transl. Sci. 2017. V. 149. P. 215–241. https://doi.org/10.1016/bs.pmbts
  66. Fister A.S., Landherr L., Maximova S.N., Guiltinan M.J. // Front Plant Sci. 2018. V. 9. P. 26. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00268
  67. Andres J., Blomeier T., Zurbriggen M.D. // Plant Physiol. 2019. V. 179. P. 862–884. https://doi.org/10.1104/pp.18.01362
  68. Hirsch C.D., Springer N.M. // Biochim. Biophys. Acta Gene Regul. Mech. 2017. V. 1860. P. 157–165. https://doi.org/10.1016/j.bbagrm.2016.05.010
  69. Philippines 2022. Memorandum Circular No. 8, Series of 2022. https://www.da.gov.ph/wp-content/uploads/2022/06/mc08_s2022_Revised.pdf.
  70. DBTt 2022. Guidelines for the Safety Assessment of Genome Edited Plants; Government of India, Ministry of Science& Technology, DBTt; 2022. https://dbtindia.gov.in/latest-announcement/guidelines-safety-assessment-genome-edited-plants 2022.
  71. Proposal for a Regulation on Plants Obtained by Certain new Genomic Techniques and their Food and Feed, and Amending Regulation (EU) 2017/625. https://www.europeansources.info/record/proposal-for-a-regulation-on-plants-obtained-by-certain-new-genomic-techniques-and-their-food-and-feed-and-amending-regulation-eu-2017-625/.
  72. Yakovleva I.V., Kamionskaya A.M. // Trends Biotechnol. 2022. V. 40. № 6. P. 635–638. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2021.12.004
  73. OGTR 2021. Department of Health of Australia. Overview – status of organisms modified using gene editing and other new technologies. https://www.ogtr.gov.au/resources/publications/overview-status-orga-nisms-modified-using-gene-editing-and-other-new-technologies.
  74. Health Canada 2022. Guidance on the Novelty Interpretation of Products of Plant Breeding, 2022. https://www.canada.ca/en/health-canada/services/-food-nutrition/legislation-guidelines/guidance-documents/guidelines-safety-assessment-novel-foods-derived-plants-microorganisms/guidelines-safety-asses-sment-novel-foods-2006.html#a5.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© И.В. Яковлева, А.М. Камионская, 2023