El genoma en las mitocondrias, los orgánulos productores de energía de la célula, está involucrado en enfermedades y funciones biológicas clave, y la capacidad de alterar con precisión este ADN permitiría a los científicos aprender más sobre los efectos de estos genes y mutaciones.las tecnologías de edición de precisión que han revolucionado la edición de ADN en el núcleo celular no han podido alcanzar el genoma mitocondrial.
Ahora, un equipo del Broad Institute of MIT and Harvard y la University of Washington School of Medicine ha roto esta barrera con un nuevo tipo de editor molecular que puede hacer cambios precisos de nucleótidos C * G-to-T * A en las mitocondriasADN: el editor, diseñado a partir de una toxina bacteriana, permite modelar mutaciones de ADN mitocondrial asociadas a la enfermedad, abriendo la puerta a una mejor comprensión de los cambios genéticos asociados con el cáncer, el envejecimiento y más.
El trabajo se describe en Naturaleza , con los coprimeros autores, Beverly Mok, estudiante graduada del Broad Institute y la Universidad de Harvard, y Marcos de Moraes, becario postdoctoral en la Universidad de Washington UW.
El trabajo fue supervisado conjuntamente por Joseph Mougous, profesor de microbiología de la Universidad de Washington y un investigador del Instituto Médico Howard Hughes HHMI, y David Liu, el profesor Richard Merkin y director del Instituto Merkin de Tecnologías Transformativas en Salud en el BroadInstituto, profesor de química y biología química en la Universidad de Harvard e investigador del HHMI.
"El equipo ha desarrollado una nueva forma de manipular el ADN y lo usó para editar con precisión el genoma mitocondrial humano por primera vez, a nuestro entender, proporcionando una solución a un desafío de larga data en biología molecular", dijo Liu."El trabajo es un testimonio de la colaboración en investigación básica y aplicada, y puede tener otras aplicaciones más allá de la biología mitocondrial".
Agente de guerra bacteriana
La mayoría de los enfoques actuales para estudiar variaciones específicas en el ADN mitocondrial implican el uso de células derivadas del paciente, o una pequeña cantidad de modelos animales, en los que las mutaciones se han producido por casualidad ". Pero estos métodos plantean limitaciones importantes, y la creación de modelos nuevos y definidos tienesido imposible ", dijo el coautor Vamsi Mootha, miembro del instituto y codirector del Programa de Metabolismo en Broad. Mootha también es investigador del HHMI y profesor de medicina en el Hospital General de Massachusetts.
Si bien las tecnologías basadas en CRISPR pueden editar de forma rápida y precisa el ADN en el núcleo celular, facilitando en gran medida la creación de modelos para muchas enfermedades, estas herramientas no han podido editar el ADN mitocondrial porque dependen de un ARN guía para apuntar a una ubicación en elgenoma: la membrana mitocondrial permite que las proteínas ingresen al orgánulo, pero no se sabe que tenga vías accesibles para transportar ARN.
Una pieza de una posible solución surgió cuando el laboratorio Mougous identificó una proteína tóxica producida por el patógeno Burkholderia cenocepacia. Esta proteína puede matar otras bacterias al cambiar directamente la citosina C a uracilo U en el ADN bicatenario.
"Lo que es especial acerca de esta proteína, y lo que nos sugirió que podría tener aplicaciones de edición únicas, es su capacidad para atacar el ADN bicatenario. Todas las desaminasas descritas anteriormente que atacan el ADN solo funcionan en la forma monocatenaria, quelimita cómo pueden usarse como editores del genoma ", dijo Mougous. Su equipo determinó la estructura y las características bioquímicas de la toxina, llamada DddA.
"Nos dimos cuenta de que las propiedades de este 'agente de guerra bacteriana' podrían permitir que se combinara con un sistema de orientación de ADN no basado en CRISPR, lo que aumenta la posibilidad de crear editores de base que no dependan de CRISPR o de ARN guía", explicó Liu." Podría permitirnos finalmente realizar una edición precisa del genoma en uno de los últimos rincones de la biología que ha permanecido intocable con dicha tecnología: el ADN mitocondrial ".
"Domesticar a la bestia"
El primer gran desafío del equipo fue eliminar la toxicidad del agente bacteriano, lo que Liu describió a Mougous como "domesticar a la bestia", para que pudiera editar el ADN sin dañar la célula. Los investigadores dividieron la proteína en dos inactivosmitades que podrían editar el ADN solo cuando se combinan.
Los investigadores unieron las dos mitades de la toxina bacteriana domesticada a las proteínas de unión al ADN de TALE, que pueden localizar y unir una secuencia de ADN objetivo tanto en el núcleo como en las mitocondrias sin el uso de un ARN guía. Cuando estas piezas se unen al ADN al lado deentre sí, el complejo se vuelve a ensamblar en su forma activa y convierte C a U en esa ubicación, lo que finalmente resulta en una edición de base C * G-to-T * A. Los investigadores llamaron a su herramienta editor de base de citosina derivada de DddA DdCBE.
El equipo probó DdCBE en cinco genes en el genoma mitocondrial en células humanas y descubrió que DdCBE instaló ediciones de bases precisas en hasta el 50 por ciento del ADN mitocondrial. Se centraron en el gen ND4, que codifica una subunidad del complejo enzimático mitocondrialI, para una mayor caracterización. El laboratorio de Mootha analizó la fisiología y la química mitocondrial de las células editadas y mostró que los cambios afectaron a las mitocondrias según lo previsto.
"Esta es la primera vez en mi carrera que hemos podido diseñar una edición precisa en el ADN mitocondrial", dijo Mootha. "Es un salto cuántico hacia adelante, si podemos hacer mutaciones específicas, podemos desarrollar modelos paraestudiar variantes asociadas a la enfermedad, determinar qué papel desempeñan realmente en la enfermedad y detectar los efectos de los medicamentos en las vías involucradas "
Desarrollos futuros
Un objetivo para el campo ahora será desarrollar editores que puedan realizar con precisión otros tipos de cambios genéticos en el ADN mitocondrial.
"Un editor de genoma mitocondrial tiene el potencial a largo plazo para convertirse en un agente terapéutico para tratar enfermedades derivadas de mitocondrias, y tiene un valor más inmediato como una herramienta que los científicos pueden usar para modelar mejor las enfermedades mitocondriales y explorar preguntas fundamentales relacionadas conbiología y genética mitocondrial ", dijo Mougous.
El equipo agregó que algunas características de DdCBE, como su falta de ARN, también pueden ser atractivas para otras aplicaciones de edición de genes más allá de las mitocondrias.
Este trabajo fue apoyado en parte por el Instituto Merkin de Tecnologías Transformativas en Salud, NIH R01AI080609, U01AI142756, RM1HG009490, R35GM122455, R35GM118062 y P30DK089507, la Agencia de Defensa para la Reducción de Amenazas 1-13-1-0014 y la Universidadde la Fundación Washington de Fibrosis Quística
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