La capacidad de editar el genoma alterando la secuencia de ADN dentro de una célula viva es poderosa para la investigación y es muy prometedora para el tratamiento de enfermedades. Sin embargo, las tecnologías de edición del genoma existentes con frecuencia dan como resultado mutaciones no deseadas o pueden no introducir ningún cambio en absoluto. Estos problemas han impedido que el campo alcance su máximo potencial.
Ahora, una nueva investigación del laboratorio de la investigadora de la Universidad de Princeton Britt Adamson, realizada con colaboradores en el laboratorio de Jonathan Weissman, miembro del Instituto Whitehead y profesor de biología en el Instituto de Tecnología de Massachussetts e investigador del Instituto Médico Howard Hughes, y Cecilia Cotta-Ramusino, anteriormente en Editas Medicine, detalla un método novedoso llamado Repair-seq que revela con exquisito detalle cómo funcionan las herramientas de edición del genoma.
“Sabemos desde hace mucho tiempo que los mecanismos involucrados en la reparación del ADN roto son esenciales para la edición del genoma porque para cambiar la secuencia del ADN primero hay que romperlo”, dijo Britt Adamson, autora principal del estudio y profesora asistente en el Departamento de Biología Molecular de Princeton y el Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa. “Pero esos procesos son increíblemente complejos y, por lo tanto, a menudo difíciles de desenredar”.
Para reparar el ADN, las células utilizan muchos mecanismos diferentes, cada uno de los cuales involucra conjuntos de genes que trabajan juntos en distintas vías. Repair-seq permite a los investigadores probar la contribución de estas vías a la reparación de lesiones específicas del ADN al perfilar simultáneamente cómo cientos de genes individuales afectan las mutaciones producidas en los sitios dañados. Luego, los investigadores pueden generar modelos mecanicistas de reparación del ADN y aprender cómo esos mecanismos afectan la edición del genoma. Adamson y sus colegas aplicaron su método a uno de los enfoques de edición del genoma más utilizados, CRISPR-Cas9, que emplea la nucleasa bacteriana Cas9 para cortar ambas hebras de la molécula de ADN de doble hebra, creando lesiones llamadas roturas de doble hebra.
“La edición con cortes de doble hebra ha sido el pan y la mantequilla de la edición del genoma durante mucho tiempo, pero hacer los cambios previstos sin mutaciones no deseadas ha sido un desafío enorme”, dijo el primer autor del estudio, Jeffrey Hussmann, quien realizó el trabajo mientras era postdoctoral. investigador en el laboratorio de Jonathan Weissman. “Nos propusimos comprender los mecanismos detrás de tantas mutaciones inducidas como fuera posible, razonando que esto podría ayudarnos a optimizar el sistema”.
Los experimentos de Repair-seq generan una enorme cantidad de datos. El análisis de esos datos, dirigido por Hussmann, produjo un mapa de cómo las diferentes vías de reparación del ADN están vinculadas a tipos particulares de mutaciones inducidas por Cas9. Sobre la base de una rica historia de investigación en el campo, el análisis de Hussmann iluminó vías que ya eran conocidas e identificó otras nuevas, que juntas resaltan la enorme complejidad y la miríada de sistemas involucrados en la reparación de roturas de doble hebra. El profundo conjunto de datos desenterrados en este trabajo ahora se publica en un portal en línea que otros pueden usar para interrogar a los genes y las vías de reparación del ADN.
Por separado, un equipo dirigido por David Liu en el Instituto Broad del MIT y Harvard desarrolló un sistema de edición del genoma llamado “edición principal” que no se basa en la creación de rupturas de doble hebra. Las eficiencias de edición principales varían ampliamente según el tipo de célula y el sitio de destino, pero los investigadores sospecharon que la identificación de las vías de reparación del ADN involucradas podría ayudar a identificar vías de mejora. Con esto en mente, Adamson y Hussmann unieron fuerzas con Liu y sus colegas para investigar la edición principal con Repair-seq.
“Trabajar juntos fue un gran beneficio”, dijo Adamson. “Para nosotros, fue una experiencia fantástica de ciencia colaborativa y orientada al equipo”.
Los investigadores que colaboraron descubrieron que la capacidad de obtener las ediciones previstas con la edición principal se veía afectada por las proteínas en la ruta de reparación de los errores de emparejamiento del ADN. Luego demostraron que inhibir o evadir esa vía mejoró dramáticamente la eficiencia y precisión de los resultados de la edición principal, posicionando la edición principal para convertirse en una tecnología de edición del genoma de aplicación más amplia.
“Trabajar con Britt, Jonathan y sus laboratorios ha sido una hermosa integración de la ciencia básica, la aplicación de herramientas y el desarrollo de tecnología, un testimonio real del poder de la colaboración multidisciplinaria”, dijo Liu.
Es importante destacar que este trabajo también demuestra cómo Repair-seq se puede utilizar para mejorar otras tecnologías de edición del genoma. De hecho, los investigadores colaboradores ya lo han aplicado a un tercer sistema de edición del genoma, que también fue desarrollado por científicos que trabajan con Liu. Los resultados de ese estudio se publicaron recientemente en la revista Biotecnología de la naturaleza.
“Repair-seq es una hermosa unión de conocimiento tecnológico y conocimiento biológico”, dijo John Doench, director de investigación y desarrollo del Programa de Perturbación Genética del Broad Institute, que no participó en el trabajo.
“Y para el trabajo en la edición principal, ¡qué maravilloso ejemplo de colaboración! A menudo ha resultado difícil trabajar con los editores principales, y este documento comienza a comprender por qué, al tiempo que impulsa soluciones novedosas”, agregó.
En el futuro, el equipo continuará mejorando la plataforma y aplicándola a tecnologías adicionales de edición del genoma.
“Vemos Repair-seq como una herramienta que le permite tomar una imagen detallada de lo que los editores del genoma están haciendo dentro de las células y luego evaluar muy rápidamente: ‘¿Es este un panorama en el que puedo encontrar principios de diseño que ayudarán a mejorar la herramienta? ‘”, Dijo Adamson. “Estamos muy emocionados de explorar aplicaciones futuras”.
Los estudios fueron apoyados por subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud, el Instituto Médico Howard Hughes, el Programa de Becas Searle, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación de Investigación del Cáncer Damon Runyon, el Consejo de Becas de China y el Instituto Nacional del Cáncer.
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