19 diciembre de 2019

Los científicos utilizaron una técnica ganadora del Premio Nobel llamada microscopía crioelectrónica.

Los científicos de la Universidad de Columbia, en Estados Unidos, han capturado las primeras imágenes de una nueva herramienta de edición de genes que podría mejorar las herramientas existentes basadas en CRISPR, según publica en el último número de la revista Nature. 

El equipo desarrolló la herramienta, llamada INTEGRATE, después de descubrir un ‘gen saltarín’ único en la bacteria ‘Vibrio cholerae’ que podría insertar grandes cargas genéticas en el genoma sin introducir roturas de ADN.

En el nuevo estudio, los investigadores utilizaron una técnica ganadora del Premio Nobel llamada microscopía crioelectrónica para congelar el complejo de edición de genes en acción, revelando detalles de alta resolución sobre cómo funciona.

«Mostramos en nuestro primer estudio cómo aprovechar INTEGRATE para las inserciones específicas de ADN en células bacterianas», explica Sam Sternberg, profesor asistente de bioquímica y biofísica molecular en el Colegio de Médicos y Cirujanos Vagelos de la Universidad de Columbia, que dirigió la investigación con Israel Fernández, profesor asistente de bioquímica y biofísica molecular en Columbia.

«Estas nuevas imágenes, una maravillosa colaboración con el laboratorio de Israel Fernández, explican la biología con increíbles detalles moleculares y nos ayudarán a mejorar el sistema al guiar los esfuerzos de ingeniería de proteínas», añade.

Los investigadores utilizaron la microscopía crioelectrónica, que consiste en congelar rápidamente una muestra del complejo de edición de genes en nitrógeno líquido y bombardearla con electrones. Luego utilizaron las imágenes que capturaron con el microscopio electrónico para generar modelos de resolución atómica del sistema INTEGRATE.

El modelo estructural revela que el complejo está formado por dos secciones principales que están dispuestas en un filamento helicoidal. La porción más grande, llamada Cascada, gira y lleva un ARN guía que utiliza para escanear la célula en busca de una secuencia correspondiente en el ADN.

Una vez que localiza y se une a la secuencia objetivo, une la cadena de ADN a través de las proteínas de «transposición» de TniQ que se encuentran en el extremo del complejo y reclutan otras enzimas que ayudan a modificar el ADN.

El mecanismo de exploración de INTEGRATE parece funcionar de manera similar a otros sistemas CRISPR bien estudiados, algunos de los cuales también contienen un complejo en cascada con ARN guía. Sin embargo, a diferencia de otros sistemas CRISPR que usan Cascade para atacar el ADN para cortar, la función de Cascade dentro de INTEGRATE es apuntar al ADN para una inserción altamente precisa de cargas genéticas.

En su estudio anterior, Sternberg y sus colegas utilizaron la genética y la bioquímica para proponer cómo la maquinaria CRISPR se vincularía funcionalmente con la maquinaria de transposición, las moléculas responsables del «salto» genético, y el estudio demostró que sus hipótesis eran correctas.

Muchos investigadores de todo el mundo ahora usan CRISPR-Cas9 para realizar modificaciones precisas de forma rápida y económica al genoma de una célula. Sin embargo, la mayoría de los usos de CRISPR implican cortar ambas cadenas del ADN objetivo, y la ruptura del ADN debe ser reparada por la propia maquinaria de la célula huésped.

Controlar este proceso de reparación sigue siendo un reto importante en el campo, y las ediciones genéticas no deseadas a menudo se introducen inadvertidamente en el genoma. Además, las herramientas existentes a menudo funcionan mal al insertar grandes cargas genéticas de manera precisa. Así, mejorar la precisión de la edición de genes es una prioridad para los investigadores y es fundamental para garantizar la seguridad de las terapias desarrolladas con esta técnica.

El nuevo sistema INTEGRATE desarrollado por el laboratorio Sternberg puede insertar con precisión grandes secuencias de ADN sin depender de la maquinaria de la célula para reparar los filamentos. Como resultado, INTEGRATE podría ser una forma más precisa y eficiente de realizar ciertas modificaciones genéticas que el sistema CRISPR-Cas original que se usa ampliamente.

La nueva herramienta también podría ayudar a los científicos a realizar la edición de genes en tipos de células con actividad limitada de reparación del ADN, como las neuronas, donde los intentos de usar CRISPR han sido comparativamente menos exitosos.

Además de informar los futuros esfuerzos de ingeniería, las estructuras destacan un posible punto de revisión de revisión. Las tecnologías CRISPR existentes a menudo sufren los llamados «efectos fuera del objetivo», en los que las secuencias no intencionadas se modifican de manera promiscua.

Las nuevas estructuras revelan cómo Cascada y TniQ trabajan juntos para garantizar que solo las secuencias correctas «en el objetivo» estén marcadas para la inserción de ADN. Los investigadores planean explorar más a fondo este punto de control mientras desarrollan la herramienta para nuevos enfoques terapéuticos para la enfermedad.