Discovery ofrece un punto de partida para mejores herramientas de edición de genes

CRISPR ha dado paso a la era de la medicina genómica. Se ha desarrollado una línea de poderosas herramientas a partir del popular CRISPR-Cas9 para curar enfermedades genéticas. Sin embargo, existe un problema de última milla: estas herramientas deben administrarse de manera efectiva en cada célula del paciente, y la mayoría de los Cas9 son demasiado grandes para adaptarse a los vectores de terapia genómica populares, como el virus asociado a adenovirus (AAV). .

En una nueva investigación, los científicos de Cornell brindan una explicación de cómo la naturaleza resuelve este problema: definen con precisión atómica cómo un sistema derivado de transposones edita el ADN de manera guiada por el ARN. Los transposones son elementos genéticos móviles dentro de las bacterias. Un linaje de transposones codifica IscB, que tiene menos de la mitad del tamaño de Cas9 pero es igualmente capaz de editar ADN. Reemplazar Cas9 con IscB resolvería definitivamente el problema del tamaño.

Los investigadores utilizaron microscopía crioelectrónica (Cryo-EM) para visualizar la molécula IscB-ωRNA de un sistema de transposones en alta resolución. Pudieron capturar instantáneas del sistema en diferentes estados conformacionales. Incluso pudieron diseñar variantes IscB más delgadas, eliminando partes no esenciales de IscB.

“Las aplicaciones sofisticadas de próxima generación requieren que el editor de genes se fusione con otras enzimas y actividades, y la mayoría de los Cas9 ya son demasiado grandes para la entrega viral. Nos enfrentamos a un atasco en el final de la entrega”, dijo el autor correspondiente Ailong Ke, profesor de biología molecular. biología y genética en la Facultad de Artes y Ciencias. “Si Cas9s se puede empaquetar en vectores virales que se han utilizado durante décadas en el campo de la terapia génica, como AAV, entonces podemos estar seguros de que se pueden entregar y podemos centrar la investigación exclusivamente en la eficacia de la propia herramienta de edición”.

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Los sistemas CRISPR-Cas9 utilizan un ARN como guía para reconocer una secuencia de ADN. Cuando se encuentra una coincidencia, la proteína Cas9 corta el ADN objetivo en el lugar correcto; entonces es posible hacer cirugía a nivel de ADN para corregir enfermedades genéticas. Los datos crio-EM recopilados por el equipo de Cornell muestran que el sistema IscB-ωRNA funciona de manera similar, con su tamaño más pequeño logrado al reemplazar partes de la proteína Cas9 con un ARN estructurado (ωRNA) que se fusiona con el ARN guía. Al reemplazar los componentes proteicos del Cas9 más grande con ARN, la proteína IscB se reduce a los centros de reacción química centrales que cortan el ADN objetivo.

“Se trata de comprender la estructura de las moléculas y cómo realizan las reacciones químicas”, dijo el primer autor Gabriel Schuler, estudiante de doctorado en el campo de microbiología. “Estudiar estos transposones nos brinda un nuevo punto de partida para generar herramientas de edición de genes más potentes y accesibles”.

Se cree que los transposones, elementos genéticos móviles, fueron los precursores evolutivos de los sistemas CRISPR. Fueron descubiertos por la Premio Nobel Barbara McClintock ’23, MA ’25, Ph.D. ’27.

“Los transposones son autoestopistas genéticos especializados, que se integran y se separan de nuestros genomas todo el tiempo”, dijo Ke. “Los sistemas dentro de las bacterias en particular se seleccionan constantemente: la naturaleza básicamente ha tirado los dados miles de millones de veces y ha creado herramientas quirúrgicas de ADN realmente poderosas, incluido CRISPR. Y ahora, al definir estas enzimas en alta resolución, podemos aprovechar sus poderes”.

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A pesar de lo pequeño que es IscB en comparación con CRISPR Cas9, los investigadores creen que podrán reducirlo aún más. Ya han eliminado 55 aminoácidos sin afectar la actividad de IscB; esperan hacer que las versiones futuras de este editor de genoma sean aún más pequeñas y, por lo tanto, aún más útiles.

Una mejor comprensión de la función del ARN guía complementario fue otra motivación detrás del estudio, dijo el coautor principal Chunyi Hu, investigador postdoctoral en el Departamento de Biología Molecular y Genética. “Todavía hay mucho misterio, como ¿por qué los transposones usan un sistema guiado por ARN? ¿Qué otras funciones puede desempeñar este ARN?”.

Un desafío que aún permanece para los investigadores es que, si bien el IscB-ωRNA es extremadamente activo en los tubos de ensayo, no fue tan eficiente para alterar el ADN en las células humanas. El próximo paso en su investigación será usar la estructura molecular para explorar las posibilidades que han identificado para la causa de la baja actividad en las células humanas. “Tenemos algunas ideas, muchas de ellas en realidad, que estamos ansiosos por probar en un futuro cercano”, dijo Schuler.

La investigación fue financiada por subvenciones que Ke recibió de los Institutos Nacionales de Salud. Schuler cuenta con el apoyo del Departamento de Defensa a través del Programa de Becas para Graduados en Ingeniería y Ciencias de la Defensa Nacional. El trabajo de Cryo-EM fue asistido por el Centro de Investigación de Materiales de Cornell y el Laboratorio Nacional de Brookhaven.

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Materiales proporcionados por Universidad de Cornell. Original escrito por Linda B. Glaser, cortesía de Cornell Chronicle. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.

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