por Shelly Fan

Gracias a CRISPR, la terapia génica y los “bebés de diseño” son ahora una realidad. La navaja suiza de edición genética es uno de los descubrimientos biomédicos más impactantes de la última década. Ahora, un nuevo estudio sugiere que acabamos de comenzar a sumergir los dedos de los pies en el estanque CRISPR.
CRISPR-Cas9 proviene de orígenes humildes. Se descubrió por primera vez como un mecanismo natural en bacterias y células de levadura para ayudar a combatir los virus invasores. Esto llevó al Dr. Feng Zhang, uno de los pioneros de la tecnología, a preguntarse: ¿de dónde evolucionó este sistema? ¿Hay otras ramas del árbol genealógico de CRISPR que también podamos aprovechar para la edición de genes?
En un nuevo artículo publicado la semana pasada en Science , el equipo de Zhang rastreó los orígenes de CRISPR para revelar un vasto universo de posibles herramientas de edición de genes. Como “primos” de CRISPR , estas nuevas proteínas pueden cortar fácilmente genes específicos dentro de las placas de Petri, similar a su pariente famoso.
Pero a diferencia de las variantes anteriores de CRISPR, se trata de una línea familiar completamente nueva. Denominados colectivamente OMEGA, operan de manera similar a CRISPR. Sin embargo, utilizan proteínas de “tijera” completamente extrañas, junto con guías de ARN extrañas que los científicos no conocían anteriormente.
Lo que fue una sorpresa total fue la abundancia de estos sistemas alternativos. Una búsqueda de big data encontró más de un millón de sitios genéticos potenciales que codifican solo uno de estos primos, mucho más extendido “de lo que se sospechaba”. Estas clases de proteínas recién descubiertas tienen “un gran potencial para desarrollarse como biotecnologías”, dijeron los autores.
En otras palabras, el próximo niño prodigio de edición de genes podría estar esperando silenciosamente dentro de otra bacteria o alga, listo para ser rediseñado para cortar, editar y alterar nuestros propios genomas para la próxima revolución genética.
Las muchas variaciones de CRISPR
El primer sistema CRISPR que saltó a la fama fue CRISPR-Cas9. La idea es simple pero brillante. Utilizando un vector genético, una especie de caballo de Troya redondo que transporta genes a las células, los científicos pueden codificar los dos componentes para la edición de genes. Uno es un ARN guía, que dirige el sistema al gen objetivo. El otro es Cas9, las “tijeras” que rompen el gen. Una vez que se corta un gen, quiere sanar. Durante este proceso, es posible insertar un nuevo código genético, eliminar el código antiguo o cambiar el código de una manera que inactive los genes posteriores.
Gracias a su relativa simplicidad, CRISPR no solo despegó, sino que se disparó. Estudios posteriores encontraron variantes optimizadas para tareas ligeramente diferentes. Por ejemplo, hay variedades Cas9 que tienen una actividad fuera del objetivo muy baja o son más pequeñas, lo que las hace más fáciles de empaquetar y entregar en las celdas. Otros incluyen editores de base, que intercambian una letra de ADN sin romper la cadena, o editores de ARN, que editan cadenas de ARN como un procesador de textos.
El floreciente panteón CRISPR se debió en parte a las diferentes proteínas Cas “tijera”. Aunque existen miles de variaciones, escribió el Dr. Lucas Harrington de la Universidad de California, Berkeley, quien trabajó con la pionera de CRISPR, la Dra. Jennifer Doudna, “los experimentos de edición de genes se han centrado en gran medida en un pequeño subconjunto de representantes”. Al buscar nuevas variantes en la naturaleza, el equipo identificó nuevas y poderosas proteínas Cas que retienen su actividad a altas temperaturas y otras extremadamente compactas que pueden colarse en rincones y grietas del genoma que de otra manera bloquearían las proteínas Cas clásicas. El poder de las variantes de Cas persuadió a los científicos a desarrollar artificialmente nuevas proteínas con características más optimizadas.
Pero, ¿y si el secreto para mejorar las herramientas de edición de genes no es solo mirar hacia adelante? ¿Y si es para mirar atrás en el tiempo?
Ancestros CRISPR
El nuevo estudio adoptó este enfoque: escanee la historia evolutiva para rastrear los orígenes de CRISPR-Cas9.
Como trazar cualquier árbol genealógico, comienza con conocerte a ti mismo. Cas9 pertenece a una familia llamada “nucleasas guiadas por ARN”. Básicamente, estas proteínas pueden ser guiadas por guías de ARN y tienen la capacidad de cortar material genético.
En 2015, un estudio sugirió una raíz evolutiva de Cas9. Es extraño: un montón de “genes saltarines” o componentes genéticos que pueden rebotar alrededor de nuestro genoma. Cuando se descubrieron por primera vez en la década de 1960, estos puentes, conocidos como transposones, fueron descartados en gran medida como ADN basura. Pero estudios posteriores encontraron que son mucho más activos de lo que se pensaba originalmente, con el poder de regular el funcionamiento de otros genes y, en algunos casos, codifican proteínas misteriosas.
Uno de ellos es IscB, una antigua reliquia de proteína que probablemente evolucionó a Cas9.
IscB apareció en el radar del equipo debido a su similitud con Cas9, tanto en términos de su estructura de proteínas como de sus dominios. Imagínese una proteína como un controlador de juegos. La mayor parte de la columna vertebral de plástico sirve para soportar la estructura general; solo unos pocos botones emiten comandos. Una proteína es similar en el sentido de que contiene dominios o “botones” que se comunican con otros componentes de la célula.
Estos dominios generalmente se conservan dentro de una familia de proteínas. Con un controlador de juegos, puedes saber principalmente por sus botones y forma si es para un Atari, Sega, Xbox o Playstation. De manera similar, si diferentes proteínas comparten dominios similares, los científicos pueden saber si provienen del mismo linaje.
El equipo utilizó computadoras para buscar tres dominios Cas9, codificados en el genoma, en proteínas IscB. Finalmente, de más de 2.800, encontraron 31 sitios genéticos únicos que parecen estar asociados con la actividad CRISPR. Experimentos posteriores encontraron que estas proteínas pueden cortar material genético de manera eficiente con la guía de una guía de ARN.
“Para nosotros, esto sugiere que IscB, el ancestro CRISPR-Cas, comparte un gen central que es propenso a evolucionar hacia un sistema similar a CRISPR”, escribieron los autores.
Todo un mundo nuevo
Si el antepasado CRISPR-Cas también tiene la capacidad de cortar el genoma, ¿qué pasó con sus otras ramas familiares?
Usando IA, el equipo construyó un árbol genealógico de los dominios de proteínas. El árbol resultante tenía varios hijos similares a Cas9, como IsrB y TnpB (sí, pegadizo, lo sé). Sorprendentemente, cada una de estas proteínas parece haber evolucionado a partir de un evento evolutivo único y separado. Cada uno también tiene su propio “gusto” en la composición de sus guías de ARN.
Pero, ¿funcionan? El equipo encontró genes IsrB dentro de un tipo de alga verde, que fue capaz de escindir el ADN fácilmente en el laboratorio. Una pantalla de 6 proteínas similares con 12 guías cada una también encontró una que corta los genomas humanos dentro de una célula de riñón cultivada.
La pantalla de ascendencia también encontró otra familia de proteínas similares, TnpB, que “se cree que son el antepasado de Cas12”, dijeron los autores. A diferencia de Cas9, Cas12 puede cortar felizmente ADN monocatenario, por ejemplo, para detectar material genético viral durante una infección.
Juntos, el equipo denominó estas nuevas tijeras genómicas “OMEGA” o Actividad guiada de elemento móvil obligatorio. Suena como un discurso de nerd retro-futuro, pero la idea es que estos elementos genéticos móviles, que siguieron un camino evolutivo diferente al de las proteínas Cas, pueden ser guiados para alterar el genoma.
Por ahora, todavía no entendemos completamente qué hacen los sistemas OMEGA de forma natural en sus hosts. Sabemos que están increíblemente extendidos, mucho más de lo que los científicos imaginaban anteriormente. La familia de proteínas tipo Cas12, TnpB, tiene más de un millón de sitios potenciales en los genomas de las bacterias.
Podría “representar una riqueza sin explotar” de herramientas similares a CRISPR-Cas9, pero potencialmente con sus propias complejidades y fortalezas. Todavía no sabemos si las nuevas herramientas pueden igualar la competencia de nuestro CRISPR actual , o si aportan nuevas habilidades a la mesa. Pero el universo de la edición de genes se expandió enormemente. Y sin duda, la búsqueda de la próxima herramienta revolucionaria está en marcha.
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