CRISPR-Cas se utiliza ampliamente en investigación y medicina para editar, insertar, eliminar o regular genes en organismos. TnpB es el antepasado de las conocidas “tijeras genéticas”, pero es mucho más pequeño y, por tanto, más fácil de trasladar a las células. Utilizando ingeniería de proteínas y algoritmos de inteligencia artificial, los investigadores de la UZH ahora han ampliado las capacidades de TnpB para hacer que la edición de ADN sea más eficiente y versátil, allanando el camino para futuros tratamientos para el trastorno genético del colesterol alto.
Los sistemas CRISPR-Cas, que constan de componentes de proteínas y ARN, se desarrollaron originalmente como un mecanismo de defensa natural de las bacterias para repeler los virus invasores. Durante la última década, la reingeniería de las llamadas “tijeras genéticas” ha revolucionado la ingeniería genética en la ciencia y la medicina. Se pueden programar herramientas para encontrar ubicaciones específicas en nuestro ADN y editar con precisión la información genética. Por ejemplo, una mutación en el ADN que causa una enfermedad puede revertirse a su estado saludable.
Una herramienta de edición del genoma muy pequeña
Recientemente se descubrió que la proteína Cas evolucionó a partir de proteínas mucho más pequeñas, siendo TnpB el progenitor de Cas12. Debido a que el gran tamaño de las proteínas Cas crea desafíos al intentar llevarlas a las células correctas del cuerpo, estudios recientes han buscado utilizar sus progenitores evolutivos más pequeños como herramientas de edición del genoma. El problema con estas alternativas más pequeñas es que funcionan de manera menos eficiente. Este obstáculo ha sido abordado ahora por un equipo de investigación dirigido por Gerald Schwank del Instituto de Farmacología y Toxicología de la Universidad de Zurich (UZH), junto con colegas de ETH Zurich. “Al diseñar la pequeña pero poderosa proteína TnpB, pudimos diseñar una variante que muestra un aumento de 4,4 veces en la eficiencia de la modificación del ADN, lo que la convierte en una herramienta de edición de genes”, dice Schwank, que la hace más eficiente. .
Las proteínas TnpB se encuentran en una variedad de bacterias y arqueas. El TnpB estudiado por los investigadores proviene de una bacteria. Deinococcus radiodurans. Este microbio sobrevive al frío, la deshidratación, el vacío y el ácido, y es uno de los organismos más radiactivos conocidos por los humanos. Anteriormente se ha demostrado que la proteína compacta TnpB funciona para la edición del genoma en células humanas, aunque con baja eficiencia y capacidad de orientación limitada debido a sus requisitos de reconocimiento cuando se une al ADN.
Mejor capacidad de unión y gama más amplia de secuencias diana de ADN
Entonces, los investigadores modificaron TnpB para que editara el ADN de las células de mamíferos de manera más eficiente que la proteína original. “El truco consistió en modificar la herramienta de dos maneras: primero, para que alcanzara más eficientemente el núcleo donde se encuentra el ADN genómico, y segundo, para que también apuntara a la secuencia alternativa del genoma”, dijo Kim Marquardt. , estudiante de doctorado. Laboratorio de Gerald Schwank y primer autor del estudio.
Para identificar qué características en la secuencia de ADN de los sitios objetivo determinan la eficiencia de la edición del genoma, los investigadores probaron TnpB en 10.211 sitios objetivo diferentes. Junto con el equipo de Michael Krauthammer, también profesor de la UZH, desarrollaron un nuevo modelo de inteligencia artificial capaz de predecir la eficacia de la edición de TnpB en cualquier sitio objetivo. “Nuestro modelo puede predecir qué tan bien funcionará TnpB en diferentes escenarios, lo que hace que sea más fácil y rápido diseñar experimentos exitosos de edición de genes. Usando estas predicciones, hemos desarrollado un ratón que logró hasta un 75,3% de eficiencia en el hígado y un 65,9% en el cerebro del ratón. “, añade Marquardt. .
Terapia de edición genética de un trastorno genético para el colesterol alto
“Para los experimentos con animales, pudimos utilizar un vector viral adenoasociado clínicamente viable para transducir eficientemente el dispositivo en células de ratón. Debido a su pequeño tamaño, el sistema de edición del gen TnpB se puede empaquetar en una sola partícula de virus”. dice Marquardt. . Por el contrario, los componentes de CRISPR-Cas9 deben empaquetarse en múltiples partículas de virus, lo que significa que es necesario administrar dosis de vector más altas.
En el proyecto actual, los investigadores estudiaron si la herramienta TnpB podría usarse para tratar a pacientes con hipercolesterolemia familiar. Esta enfermedad genética provoca un colesterol muy elevado durante toda la vida y afecta aproximadamente a 31 millones de personas en todo el mundo. Esta enfermedad aumenta el riesgo de enfermedad cardíaca aterosclerótica de aparición temprana. “Pudimos modificar un gen que controla los niveles de colesterol, reduciendo el colesterol en aproximadamente un 80 por ciento en los ratones tratados”, dice Gerald Schwank. Se deben desarrollar estrategias de edición de genes para tratar a los pacientes con hipercolesterolemia.
