Optimización de los procedimientos de edición del genoma
Los científicos consiguen aumentar la eficacia de CRISPR/Cas9 y métodos afines y modificar secuencias de ADN inicialmente inaccesibles
En el curso de la optimización de procedimientos clave de edición genómica, investigadores del departamento de Biología del Desarrollo / Fisiología del Centro de Estudios Organísmicos de la Universidad de Heidelberg han logrado mejorar sustancialmente la eficacia de métodos de genética molecular como CRISPR/Cas9 y sistemas afines, y ampliar sus ámbitos de aplicación. Junto con colegas de otras disciplinas, los especialistas en ciencias de la vida perfeccionaron estas herramientas para permitir, entre otras cosas, un cribado genético eficaz para modelizar mutaciones genéticas específicas. Además, ahora es posible modificar secuencias de ADN inicialmente inaccesibles. Según el Prof. Dr. Joachim Wittbrodt, esto abre nuevos y amplios campos de trabajo en la investigación básica y, potencialmente, en la aplicación terapéutica.
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Por edición del genoma se entiende la alteración deliberada del ADN con métodos de genética molecular. Se utiliza para criar plantas y animales, pero también en investigación médica y biológica básica. Los procedimientos más comunes incluyen las "tijeras genéticas" CRISPR/Cas9 y sus variantes conocidas como editores de bases. En ambos casos, las enzimas tienen que ser transportadas al núcleo de la célula diana. A su llegada, el sistema CRISPR/Cas9 corta el ADN en sitios específicos, lo que provoca una rotura de la doble cadena. A continuación, se pueden insertar nuevos segmentos de ADN en ese lugar. Los editores de bases utilizan un mecanismo molecular similar, pero no cortan la doble cadena de ADN. En su lugar, una enzima acoplada a la proteína Cas9 realiza un intercambio selectivo de nucleótidos, los componentes básicos del genoma. En tres estudios sucesivos, el equipo del profesor Wittbrodt consiguió mejorar considerablemente la eficacia y aplicabilidad de estos métodos.
Uno de los retos que plantea el uso de CRISPR/Cas9 es el transporte eficaz de las enzimas Cas9 necesarias al núcleo. "La célula tiene un elaborado mecanismo de 'rebote'. Distingue entre las proteínas que pueden translocarse al núcleo y las que deben permanecer en el citoplasma", explica la Dra. Tinatini Tavhelidse-Suck, del equipo del Prof. Wittbrodt. En este caso, el acceso se facilita mediante una etiqueta formada por unos pocos aminoácidos que funciona como un "ticket de admisión". Los científicos han creado una especie de "billete de entrada VIP" de validez general que permite a las enzimas equipadas con él acceder al núcleo con gran rapidez. La han bautizado como "high efficiency-tag", "hei-tag" para abreviar. "Otras proteínas que tienen que penetrar en el núcleo celular también tienen más éxito con 'hei-tag'", concluye el Dr. Thomas Thumberger, que también es investigador del Centro de Estudios de Organismos (COS). En colaboración con farmacólogos de la Universidad de Heidelberg, el equipo pudo demostrar que Cas9, en combinación con la entrada "hei-tag", puede permitir alteraciones genómicas selectivas de gran eficacia no sólo en el organismo modelo medaka, el pez arroz japonés (Oryzias latipes), sino también en cultivos celulares de mamíferos y embriones de ratón.
En otro estudio, los científicos de Heidelberg demostraron que los editores de bases funcionan con gran eficacia en el organismo vivo e incluso son adecuados para el cribado genético. En un experimento con peces arroceros japoneses, pudieron demostrar que estas modificaciones localmente limitadas y selectivas en bloques individuales del ADN logran un resultado que, de otro modo, sólo se obtendría mediante el comparativamente laborioso cultivo de organismos con genes alterados. El equipo de investigación del COS, en colaboración con el Dr. Jakob Gierten, cardiólogo pediátrico del Hospital Universitario de Heidelberg, se centró en determinadas mutaciones genéticas. Se sospechaba que estas mutaciones provocaban defectos cardíacos congénitos en humanos. Mediante la modificación de bloques individuales del ADN de los genes relevantes en el organismo modelo, los científicos pudieron imitar y estudiar embriones de peces con los defectos cardíacos descritos. Según Bettina Welz y el Dr. Alex Cornean, dos de los primeros autores del estudio del equipo del Prof. Wittbrodt, la intervención dirigida produjo cambios visibles en el corazón ya durante las primeras fases del desarrollo embrionario de los peces. Eso permitió a los investigadores confirmar la sospecha original y establecer una conexión causal entre la alteración genética y los síntomas clínicos.
La intervención precisa en el genoma de los embriones de peces fue posible gracias al software ACEofBASEs, especialmente desarrollado y disponible en línea. Permite identificar localizaciones genéticas que conducen con gran eficacia a los cambios deseados en los genes diana y las proteínas resultantes. Los científicos afirman que el arroz japonés es un organismo modelo genético excelente para modelizar mutaciones como las identificadas en los respectivos pacientes. Según Jakob Gierten, "nuestro método permite un análisis de cribado eficaz y, por tanto, podría ofrecer un punto de partida para el desarrollo de tratamientos médicos individualizados".
Un tercer estudio, también del grupo de Wittbrodt, aborda las limitaciones de los editores de bases. Para que un editor de este tipo se una al ADN de una célula diana, tiene que haber un determinado motivo de secuencia. Se denomina Protospacer Adjacent Motif, abreviado PAM. "Si este motivo falta cerca del bloque de ADN que hay que cambiar, es imposible intercambiar nucleótidos", explica el Dr. Thumberger. Un equipo bajo su dirección ha encontrado ahora una forma de sortear esta limitación. Se utilizan sucesivamente dos editores de bases en una misma célula. En un primer paso, se genera un nuevo motivo de unión al ADN para otro editor de bases, sobre el que este segundo editor, que se aplica simultáneamente, puede editar un sitio antes inaccesible. Este uso escalonado resultó ser muy eficaz, explica Kaisa Pakari, primera autora del estudio. Con este truco, los científicos de Heidelberg consiguieron aumentar en un 65 por ciento el número de posibles sitios de aplicación de los editores de bases establecidos. Ahora también se pueden modificar secuencias de ADN que inicialmente eran inaccesibles.
"La optimización de las herramientas existentes para la edición del genoma y su aplicación afinada se traduce en posibilidades enormemente variadas para la investigación básica y, potencialmente, en enfoques terapéuticos novedosos", subraya Joachim Wittbrodt.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
T. Thumberger, T. Tavhelidse-Suck, J. A. Gutierrez-Triana, A. Cornean, R. Medert, B. Welz, M. Freichel, J. Wittbrodt: Boosting targeted genome editing using the hei-tag. eLife (25 March 2022).
A. Cornean, J. Gierten, B. Welz, J. L. Mateo, T. Thumberger, J. Wittbrodt: Precise in vivo functional analysis of DNA variants with base editing using ACEofBASEs target prediction. eLife (4 April 2022).
K. Pakari, J. Wittbrodt, T. Thumberger: De novo PAM generation to reach initially inaccessible target sites for base editing. Development (23 January 2023).
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