Desarrollan un editor de genes que soluciona los inconvenientes del Crispr

Investigadores de la Facultad de Médicos y Cirujanos de Vagelos, de la Universidad de Columbia, han descubierto una solución que podría solventar uno de los principales inconvenientes 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 llamados "genes de salto" bacterianos para insertar de manera segura cualquier secuencia de ADN en el genoma sin necesidad de cortarlo. Las herramientas actuales de edición de genes se basan en cortar el ADN, pero esos cortes pueden llevar a errores.

"Las herramientas actuales son como las tijeras moleculares: cortan el ADN, pero la edición real es realizada por la propia maquinaria de reparación del ADN de la célula -explica Sam Sternberg, profesor asistente de bioquímica y biofísica molecular en Columbia y autor principal del nuevo estudio-. Estás a merced de la célula para terminar el trabajo".

Insertar secuencias de ADN sin ruptura

La nueva tecnología Integrate, publicada en la edición online de la revista 'Nature', funciona más como un pegamento que como unas 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.

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La edición real es realizada por la propia maquinaria de reparación del ADN

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Editar el genoma de una célula con las herramientas actuales es como usar un procesador de textos 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, dejando el resto del genoma intacto. La mejor herramienta actual, construida con componentes de un tipo de sistema bacteriano Crispr-Cas, corta ambas cadenas de la molécula de ADN en una secuencia específica, como agregar una ruptura de párrafo a un bloque de texto.

Estas rupturas son solo el punto de partida: la "edición" real es realizada por la propia maquinaria de reparación de ADN de la célula, a menudo utilizando secuencias de ADN proporcionadas por el investigador para completar la brecha.

Confiar en la maquinaria de reparación de la celda tiene limitaciones importantes. Muchas células reparan la rotura incorrecta del ADN 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 de ADN desencadenan una respuesta de daño al ADN que puede tener otros efectos adversos.

Modificaciones seguras de forma precisa

Esto hace que la edición de genes sea difícil o imposible en algunos tipos de células, y restringe severamente la capacidad de los investigadores para introducir modificaciones genéticas precisas de una manera segura. 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 diversos. 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 revelarían nuevas capacidades de herramientas.

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Estudiantes graduados buscaron bacterias para encontrar variaciones de sistemas CRISPR-Cas

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Esta búsqueda los llevó a un transposón, o "gen saltarín", que se encuentra en la bacteria 'Vibrio cholerae'. Este transposón ha optado por el sistema Crispr-Cas de la bacteria, normalmente utilizado para frustrar elementos genéticos móviles, para insertarse en diferentes regiones del genoma bacteriano.

Sternberg y sus estudiantes encontraron 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 que el sitio donde la enzima, una integrasa, inserta 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 punto en un genoma bacteriano. Al igual que el Crispr, la integrasa encuentra el lugar apropiado con un ARN guía.

Control de la posición donde se integra el ADN detonante

Al reprogramar la guía de ARN, Sternberg y sus estudiantes pudieron controlar con precisión la ubicación donde se integró un trozo de ADN de donante. Y al reemplazar la secuencia de transposones con otras cargas útiles de ADN, podrían insertar secuencias de hasta 10.000 bases de largo en un genoma bacteriano. Por lo tanto, la tecnología Integrate, a diferencia de otras herramientas de edición basadas en integrasas, es el primer sistema de inserción completamente programable estudiado hasta la fecha.

La secuenciación de las bacterias editadas confirmó que las cargas útiles se insertaron con precisión, sin copias adicionales en los sitios fuera del objetivo.

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Integrate permite la programación sin los efectos adversos asociados a las roturas de ADN

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Con Integrate, un conjunto de enzimas puede llevar a cabo todo el proceso de integración del ADN, insertando de manera confiable una carga útil de ADN arbitraria en una ubicación precisa dentro del genoma de una célula, sin depender de la maquinaria de reparación del ADN de la célula huésped.

Integración precisa de grandes cargas genéticas

La técnica debería permitir una amplia gama de nuevas oportunidades de edición de genes. Muchos productos de biotecnología, incluidas las terapias genéticas y celulares, los cultivos de ingeniería y los productos biológicos, requieren la integración precisa de grandes cargas genéticas.

La tecnología Integrate ofrece un nuevo enfoque con la misma capacidad de programación y facilidad de uso que Crispr-Cas9, pero sin los efectos adversos asociados con las roturas de ADN.

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 piensa que hay buenas razones para creer que la integración precisa del ADN funcionará tan eficazmente en las células de los mamíferos como lo hace en 'E. coli', abriendo las puertas a los usos básicos de investigación y eventuales aplicaciones clínicas.