Un nuevo descubrimiento realizado por investigadores del Colegio de Médicos y Cirujanos Vagelos de la Universidad de Columbia podría corregir una de las principales deficiencias de las herramientas actuales de edición de genes, incluido CRISPR, y ofrecer un nuevo y poderoso enfoque para la ingeniería genética y la terapia génica.
Su nueva tecnología, llamada INTEGRATE, aprovecha los genes de salto bacterianos para insertar de manera confiable cualquier secuencia de ADN en el genoma sin cortar el ADN. Las herramientas actuales de edición de genes dependen de cortar el ADN, pero esos cortes pueden conducir a errores.
"Las herramientas actuales son como tijeras moleculares: cortan el ADN, pero la edición real es realizada por la propia maquinaria de reparación de ADN de la célula", dice Sam Sternberg, PhD, profesor asistente de bioquímica y biofísica molecular en Columbia y autor principal del nuevoestudio "Estás a merced de la celda para terminar el trabajo"
La nueva tecnología INTEGRATE, publicada en línea hoy en la revista Naturaleza , funciona más como pegamento molecular que como tijeras moleculares.
"En lugar de introducir rupturas de ADN y confiar en la célula para reparar la ruptura, INTEGRATE inserta directamente una secuencia de ADN definida por el usuario en una ubicación precisa en el genoma, una capacidad que los biólogos moleculares han buscado durante décadas", dice Sternberg, quienfue reclutado recientemente a Columbia desde el laboratorio de Jennifer Doudna en UC Berkeley.
Las herramientas actuales son delicadas
Editar el genoma de una célula con las herramientas actuales es como usar un procesador de texto para editar un documento enorme, pero con un software que tiene una mente propia. Por lo general, los investigadores quieren hacer un pequeño cambio en una secuencia específica de bases de ADN, dejandoel resto del genoma no ha sido tocado. La mejor herramienta actual, construida con componentes de un tipo de sistema bacteriano CRISPR-Cas, corta ambas hebras de la molécula de ADN en una secuencia específica, como agregar un salto de párrafo a un bloque de texto.
Estos descansos son solo el punto de partida: la 'edición' real la realiza la propia maquinaria de reparación de ADN de la célula, a menudo utilizando secuencias de ADN proporcionadas por el investigador para llenar el vacío.
Confiar en la maquinaria de reparación de la célula tiene limitaciones importantes. Muchas células reparan la ruptura del ADN de forma incorrecta o introducen errores en el proceso, y es posible que otras células ni siquiera expresen la maquinaria de reparación necesaria para insertar nuevas cargas genéticas. Además, las roturas del ADN provocan unRespuesta al daño del ADN que puede tener otros efectos adversos.
Esto hace que la edición de genes sea difícil o imposible en algunos tipos de células, y limita severamente la capacidad de los investigadores para introducir modificaciones genéticas precisas de manera segura.
El sistema INTEGRATE aprovecha los genes de salto
El nuevo trabajo resuelve ese problema con un sistema de edición de ADN autónomo, derivado de la bacteria Vibrio cholera, que no requiere ninguna ayuda de la célula.
CRISPR es una clase de sistemas de defensa natural en bacterias que son notablemente diversas. Para encontrar nuevas herramientas de edición de genes, Sternberg y tres estudiantes graduados buscaron bacterias para encontrar variaciones de sistemas CRISPR-Cas bien estudiados con propiedades inusuales que revelaríannuevas capacidades de herramienta.
Esta búsqueda los condujo a un transposón, o "gen saltador", que se encuentra en la bacteria Vibrio cholerae. Este transposón ha cooptado el sistema CRISPR-Cas de la bacteria, normalmente utilizado para frustrar elementos genéticos móviles, para insertarse en diferentes regionesdel genoma bacteriano.
Sternberg y sus estudiantes descubrieron que el transposón se integra en sitios específicos en el genoma bacteriano, no cortando el ADN en dos, sino usando una enzima separada para deslizar el transposón en el genoma. Es importante destacar el sitio donde la enzima, una integrasa, inserta que el ADN está completamente controlado por su sistema CRISPR asociado.
Los investigadores aprovecharon este descubrimiento para crear una herramienta de edición de genes que se puede programar para insertar cualquier secuencia de ADN en cualquier sitio de un genoma bacteriano. Al igual que CRISPR, la integrasa encuentra el sitio apropiado con un ARN guía.
Al reprogramar la guía ARN, Sternberg y sus estudiantes pudieron controlar con precisión la ubicación donde se integró un fragmento de ADN del donante. Y al reemplazar la secuencia del transposón con otras cargas útiles de ADN, pudieron insertar secuencias de hasta 10,000 bases de largo en ungenoma bacteriano. Por lo tanto, la tecnología INTEGRATE, a diferencia de otras herramientas de edición basadas en integras, es el primer sistema de inserción totalmente programable estudiado hasta la fecha.
La secuenciación de las bacterias editadas confirmó que las cargas útiles se insertaron con precisión, sin copias adicionales en sitios fuera del objetivo.
Edición de genes mejorada
Con INTEGRATE, un conjunto de enzimas puede llevar a cabo todo el proceso de integración del ADN, insertando de manera confiable una carga útil arbitraria de ADN en una ubicación precisa dentro del genoma de una célula, sin depender de la maquinaria de reparación del ADN de la célula huésped.
La técnica debería permitir una amplia gama de nuevas oportunidades de edición de genes. Muchos productos de biotecnología, incluidas las terapias de genes y células, cultivos de ingeniería y productos biológicos, requieren la integración precisa de grandes cargas genéticas.
La tecnología INTEGRATE ofrece un nuevo enfoque con la misma programabilidad y facilidad de uso que CRISPR-Cas9, pero sin los efectos adversos asociados con las roturas de ADN.
"Podemos programar este sistema CRISPR-transposón para integrar su carga genética en prácticamente cualquier sitio genómico, y al comprender cómo funciona, podremos diseñarlo para que sea aún más eficaz", dice Sternberg.
próximos pasos
El equipo de Sternberg desarrolló la tecnología INTEGRATE utilizando experimentos de genética bacteriana, y ahora la están probando en tipos de células adicionales, incluidas las células de mamíferos.
Basado en la trayectoria de desarrollo de la tecnología CRISPR-Cas9, Sternberg dice que hay buenas razones para creer que la integración precisa del ADN funcionará tan eficazmente en las células de mamíferos como lo hace en E. coli, abriendo la puerta a usos de investigación básica y eventual clínicaaplicaciones.
Sam Sternberg es profesor asistente en el Departamento de Bioquímica y Biofísica Molecular en el Colegio de Médicos y Cirujanos Vagelos de la Universidad de Columbia.
Sanne E. Klompe, Phuc LH Vo y Tyler S. Halpin-Healy son estudiantes predoctorales en ciencias biomédicas en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Columbia
INTEGRATE significa "Inserción de elementos transponibles mediante orientación por ARN asistida por guía".
El documento, titulado "Sistemas CRISPR-Cas codificados por transposón, integración directa de ADN guiada por ARN", se publicó en línea el 12 de junio en la revista Naturaleza .
La investigación fue apoyada por fondos iniciales de la Oficina del Decano de la Facultad de Médicos y Cirujanos Vagelos de la Universidad de Columbia y una subvención piloto del Fondo de Medicina de Precisión Vagelos en la Universidad de Columbia
La Universidad de Columbia ha presentado una solicitud de patente relacionada con este trabajo para la cual SEK y SHS son inventores. SEK y SHS son inventores de otras patentes y solicitudes de patentes relacionadas con los sistemas CRISPR-Cas y sus usos. SHS es cofundador y científicoasesor de Dahlia Biosciences y accionista de Dahlia Biosciences y Caribou Biosciences.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro médico Irving de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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