Nuevas proteínas de edición de genes programables encontradas fuera de los sistemas CRISPR

En la última década, los científicos han adaptado los sistemas CRISPR de microbios a la tecnología de edición de genes, un sistema preciso y programable para modificar el ADN. Ahora, los científicos del Instituto McGovern del MIT y el Instituto Broad del MIT y Harvard han descubierto una nueva clase de sistemas de modificación de ADN programables llamados OMEGA (Actividad guiada de elementos móviles obligados), que naturalmente pueden estar involucrados en la mezcla de pequeños fragmentos de ADN en los genomas bacterianos.

Estas antiguas enzimas que cortan el ADN son guiadas a sus objetivos por pequeños trozos de ARN. Si bien se originaron en bacterias, ahora se han diseñado para funcionar en células humanas, lo que sugiere que podrían ser útiles en el desarrollo de terapias de edición de genes, particularmente porque son pequeñas (~ 30% del tamaño de Cas9), lo que las hace más fáciles de administrar. a las células que las enzimas más voluminosas. El descubrimiento, informado en la revista Ciencias, proporciona evidencia de que las enzimas guiadas por ARN natural se encuentran entre las proteínas más abundantes en la tierra, lo que apunta hacia una vasta área nueva de la biología que está preparada para impulsar la próxima revolución en la tecnología de edición del genoma.

La investigación fue dirigida por el investigador de McGovern Feng Zhang, profesor de neurociencia James y Patricia Poitras en el MIT, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y miembro del instituto principal del Instituto Broad. El equipo de Zhang ha estado explorando la diversidad natural en busca de nuevos sistemas moleculares que puedan programarse racionalmente.

“Estamos muy entusiasmados con el descubrimiento de estas enzimas programables generalizadas, que se han estado escondiendo bajo nuestras narices todo el tiempo”, dice Zhang. “Estos resultados sugieren la tentadora posibilidad de que haya muchos más sistemas programables que esperan ser descubiertos y desarrollados como tecnologías útiles”.

Las enzimas programables, en particular las que utilizan una guía de ARN, se pueden adaptar rápidamente para diferentes usos. Por ejemplo, las enzimas CRISPR utilizan naturalmente una guía de ARN para apuntar a los invasores virales, pero los biólogos pueden dirigir Cas9 a cualquier objetivo generando su propia guía de ARN. “Es tan fácil simplemente cambiar una secuencia de guía y establecer un nuevo objetivo”, dice el estudiante de posgrado y co-primer autor del artículo, Soumya Kannan. “Entonces, una de las preguntas generales que nos interesan es tratar de ver si otros sistemas naturales usan ese mismo tipo de mecanismo”.

Los primeros indicios de que las proteínas OMEGA podrían ser dirigidas por ARN provienen de los genes de las proteínas llamadas IscB. Los IscB no están involucrados en la inmunidad CRISPR y no se sabía que se asociaran con el ARN, pero parecían pequeñas enzimas que cortan el ADN. El equipo descubrió que cada IscB tenía un pequeño ARN codificado cerca y dirigía las enzimas IscB para cortar secuencias específicas de ADN. Llamaron a estos ARN “ARN”.

Los experimentos del equipo mostraron que otras dos clases de proteínas pequeñas conocidas como IsrB y TnpB, uno de los genes más abundantes en las bacterias, también utilizan ARN ω que actúan como guías para dirigir la escisión del ADN.

IscB, IsrB y TnpB se encuentran en elementos genéticos móviles llamados transposones. El estudiante de posgrado Han Altae-Tran, coautor del artículo, explica que cada vez que estos transposones se mueven, crean un nuevo ARN guía, lo que permite que la enzima que codifican se corte en otro lugar.

No está claro cómo las bacterias se benefician de esta mezcla genómica, o si lo hacen en absoluto. Los transposones a menudo se consideran fragmentos egoístas de ADN, preocupados solo por su propia movilidad y preservación, dice Kannan. Pero si los anfitriones pueden “cooptar” estos sistemas y reutilizarlos, los anfitriones pueden adquirir nuevas habilidades, como ocurre con los sistemas CRISPR que confieren inmunidad adaptativa.

Los IscB y TnpB parecen ser los predecesores de los sistemas CRISPR Cas9 y Cas12. El equipo sospecha que ellos, junto con IsrB, probablemente también dieron lugar a otras enzimas guiadas por ARN, y están ansiosos por encontrarlas. Tienen curiosidad sobre la gama de funciones que podrían llevar a cabo en la naturaleza las enzimas guiadas por ARN, dice Kannan, y sospechan que la evolución probablemente ya aprovechó las enzimas OMEGA como IscB y TnpB para resolver problemas que los biólogos están ansiosos por abordar.

“Es posible que muchas de las cosas en las que hemos estado pensando ya existan naturalmente en alguna capacidad”, dice Altae-Tran. “Las versiones naturales de este tipo de sistemas podrían ser un buen punto de partida para adaptarse a esa tarea en particular”.

El equipo también está interesado en rastrear la evolución de los sistemas guiados por ARN en el pasado. “Encontrar todos estos nuevos sistemas arroja luz sobre cómo han evolucionado los sistemas guiados por ARN, pero no sabemos de dónde proviene la actividad guiada por ARN”, dice Altae-Tran. Comprender esos orígenes, dice, podría allanar el camino para desarrollar aún más clases de herramientas programables.