Una "tijera genética" compacta permite editar el genoma con eficacia
Herramienta de edición del genoma mucho más pequeña
CRISPR-Cas se utiliza ampliamente en investigación y medicina para editar, insertar, eliminar o regular genes en los organismos. La TnpB es un ancestro de esta conocida "tijera genética", pero es mucho más pequeña y, por tanto, más fácil de transportar a las células. Mediante ingeniería de proteínas y algoritmos de IA, los investigadores del UZH han mejorado ahora las capacidades de TnpB para que la edición del ADN sea más eficiente y versátil, lo que allana el camino para tratar en el futuro un defecto genético del colesterol alto.
Los sistemas CRISPR-Cas, que constan de componentes de proteína y ARN, se desarrollaron originalmente como un mecanismo de defensa natural de las bacterias para defenderse de los virus intrusos. En la última década, la reingeniería de estas llamadas "tijeras genéticas" ha revolucionado la ingeniería genética en ciencia y medicina. Estas herramientas pueden programarse para encontrar un lugar específico en nuestro ADN y editar la información genética de forma precisa. Por ejemplo, una mutación en el ADN causante de una enfermedad puede revertirse a su estado sano.
Una herramienta de edición del genoma mucho más pequeña
Recientemente se ha descubierto que las proteínas Cas evolucionaron a partir de proteínas mucho más pequeñas, siendo TnpB la progenitora de Cas12. Dado que el gran tamaño de las proteínas Cas plantea dificultades a la hora de administrarlas a las células adecuadas del organismo, estudios recientes han intentado utilizar sus progenitores evolutivos más pequeños como herramienta de edición del genoma. El problema de estas pequeñas alternativas es que funcionan con menos eficacia.
Un equipo de investigación dirigido por Gerald Schwank, del Instituto de Farmacología y Toxicología de la Universidad de Zúrich (UZH), junto con colegas de la ETH Zúrich, ha superado este obstáculo. "Mediante la ingeniería de la pequeña pero potente proteína TnpB, hemos podido diseñar una variante que multiplica por 4,4 la eficacia de la modificación del ADN, lo que la hace más eficaz como herramienta de edición genética", explica Schwank.
Las proteínas TnpB se encuentran en diversas bacterias y arqueas. La TnpB estudiada por los investigadores procede de la bacteria Deinococcus radiodurans. Este microbio sobrevive al frío, la deshidratación, el vacío y el ácido, y es uno de los organismos más resistentes a la radiación que conoce el ser humano. La proteína compacta TnpB ya había demostrado su eficacia en la edición del genoma en células humanas, aunque con escasa eficiencia y limitada capacidad de selección debido a sus requisitos de reconocimiento al unirse al ADN.
Mejor capacidad de unión y mayor variedad de secuencias de ADN diana
Por ello, los investigadores optimizaron la TnpB para que editara el ADN de células de mamífero con más eficacia que la proteína original. "El truco consistió en modificar la herramienta de dos maneras: primero, para que se dirija con mayor eficacia al núcleo, donde se encuentra el ADN genómico, y segundo, para que también se dirija a secuencias genómicas alternativas", explica Kim Marquart, estudiante de doctorado en el laboratorio de Gerald Schwank y primer autor del estudio.
Para identificar qué características de las secuencias de ADN de los sitios diana determinan la eficacia de la edición genómica, los investigadores probaron TnpB en 10.211 sitios diana diferentes. En colaboración con el equipo de Michael Krauthammer, también profesor de la UZH, desarrollaron un nuevo modelo de inteligencia artificial capaz de predecir la eficiencia de edición de TnpB en cualquier sitio diana. "Nuestro modelo puede predecir la eficacia de TnpB en distintos escenarios, lo que facilita y acelera el diseño de experimentos de edición génica satisfactorios. Utilizando estas predicciones, logramos una eficacia de hasta el 75,3% en hígados de ratón y del 65,9% en cerebros de ratón", añade Marquart.
Terapia de edición génica del defecto genético del colesterol alto
"Para los experimentos con animales, pudimos utilizar vectores virales adenoasociados clínicamente viables para transportar eficazmente las herramientas a las células de ratón. Gracias a su pequeño tamaño, el sistema de edición genética TnpB puede empaquetarse en una sola partícula de virus", explica Marquart. En cambio, los componentes de CRISPR-Cas9 tienen que empaquetarse en múltiples partículas de virus, lo que significa que hay que aplicar dosis más altas de vector".
En el proyecto actual, los investigadores estudiaron si la herramienta TnpB podría emplearse para tratar a pacientes con hipercolesterolemia familiar. Esta enfermedad genética provoca una hipercolesterolemia grave de por vida y afecta a unos 31 millones de personas en todo el mundo. La enfermedad aumenta el riesgo de enfermedad cardiovascular aterosclerótica de aparición temprana. "Pudimos editar un gen que regula los niveles de colesterol, reduciendo así el colesterol de los ratones tratados en casi un 80%. El objetivo es desarrollar estrategias similares de edición genética en humanos para tratar a los pacientes que padecen hipercolesterolemia", afirma Gerald Schwank.
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Publicación original
Kim Fabiano Marquart, Nicolas Mathis, Amina Mollaysa, Saphira Müller, Lucas Kissling, Tanja Rothgangl, Lukas Schmidheini, Péter István Kulcsár, Ahmed Allam, Masako M. Kaufmann, Mai Matsushita, Tatjana Haenggi, Toni Cathomen, Manfred Kopf, Michael Krauthammer, Gerald Schwank; "Effective genome editing with an enhanced ISDra2 TnpB system and deep learning-predicted ωRNAs"; Nature Methods, 2024-9-23
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