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| Los científicos de Toronto han desarrollado un método de edición del genoma más poderoso para permitir la edición de múltiples genes a la vez. Crédito: Ernesto del Aguila III, Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano, NIH |
Los científicos ahora pueden editar múltiples sitios en el genoma al mismo tiempo para aprender cómo los diferentes estiramientos de ADN cooperan en la salud y la enfermedad.
La edición de ADN basada en CRISPR ha revolucionado el estudio del genoma humano al permitir la eliminación precisa de cualquier gen humano para obtener información sobre su función. Pero una característica seguía siendo desafiante: la capacidad de eliminar simultáneamente múltiples genes o fragmentos de genes en la misma célula. Sin embargo, este tipo de cirugía del genoma es clave para que los científicos entiendan cómo las diferentes partes del genoma trabajan juntas en el contexto de la fisiología normal y la enfermedad.
Ahora existe una herramienta de este tipo gracias a los equipos de Benjamin Blencowe y Jason Moffat, ambos profesores de genética molecular en el Centro Donnelly de Investigación Celular y Biomolecular. Apodado 'CHyMErA', por Cas Hybrid para aplicaciones de edición y selección multiplexadas, el método se puede aplicar a cualquier tipo de célula de mamífero para apuntar sistemáticamente al ADN en múltiples posiciones al mismo tiempo, como se describe en un estudio publicado en la revista Nature Biotechnology.
A menudo descrito como tijeras del genoma, CRISPR funciona enviando una enzima de corte de ADN a los sitios deseados en el genoma a través de moléculas de ARN guía, diseñadas para adherirse al sitio objetivo. La enzima de corte de ADN más utilizada es Cas9.
Desde que Cas9 salió a la luz por primera vez, los científicos han identificado otras enzimas Cas con propiedades distintas que buscan mejorar y ampliar las aplicaciones de la tecnología. A diferencia de la tecnología CRISPR-Cas9, CHyMErA combina dos enzimas de corte de ADN diferentes, Cas9 y Cas12a, para permitir aplicaciones más versátiles. Cas12a es una enzima que puede usarse para generar múltiples moléculas de ARN guía en la misma célula, que es clave para la edición simultánea de ADN.
Thomas Gonatopoulos-Pournatzis, investigador asociado en el grupo de Blencowe, había pasado varios años tratando de desarrollar la edición combinatoria de genes probando las enzimas Cas9 y Cas12a por su cuenta. Luego tuvo la idea de combinar estas enzimas para generar el sistema CHyMErA.
"Habíamos estado probando varios enfoques para inducir la eliminación de fragmentos genéticos y nada funcionó tan bien como CHyMErA", dice. "Me emocioné cuando, junto con Shaghayegh Farhangmehr, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Blencowe, vimos la primera evidencia de que CHyMErA tuvo éxito en la eliminación de segmentos genéticos. Obtuvimos estos resultados en el Boxing Day y fue el mejor regalo de Navidad que pude podría haber deseado".
El siguiente paso fue aprovechar CHyMErA en pantallas a gran escala para analizar sistemáticamente cómo los genes actúan juntos, así como las funciones de las partes individuales de los genes. El equipo de Blencowe, que estudia la regulación y la función de segmentos de genes conocidos como exones, se acercó a Moffat, cuyo grupo había desarrollado una amplia experiencia con la tecnología CRISPR.
"Con CHyMErA, puede utilizar la mejor de las dos enzimas", dice Michael Aregger, investigador asociado en el laboratorio de Moffat, que desempeñó un papel clave en el desarrollo de aplicaciones basadas en pantallas de CHyMErA. "La comunidad ha mejorado Cas9 para que tenga una eficiencia de edición muy alta, mientras que Cas12a permite la multiplexación de ARN guía y, por lo tanto, proporciona mucha más flexibilidad para encontrar sitios en el genoma que podamos cortar".
En una aplicación de CHyMErA, los investigadores apuntaron a pares de genes conocidos como parálogos, que tienen un código de ADN similar pero siguen siendo poco estudiados porque eran difíciles de investigar. Debido a que los parálogos surgieron por la duplicación de un gen ancestral, se asumió que en gran medida tendrían roles similares. Pero su función no podría ser revelada por los métodos de selección de un solo gen existentes típicamente empleados en las pantallas genéticas, principalmente porque el otro parálogo compensaría el que falta.
"Con CHyMErA, podemos sacar los dos parálogos en parejas para ver si esa función ancestral es importante para que la célula sobreviva", dice Kevin Brown, investigador asociado en el laboratorio de Moffat y coautor del estudio junto con Aregger y Gonatopoulos-Pournatzis. "Ahora podemos interrogar a una clase de genes que anteriormente se había perdido".
Después de eliminar ~700 pares de paralogas, casi todos los que existen en el genoma humano, el análisis confirmó que muchos de estos pares de genes desempeñan funciones similares en la supervivencia celular, mientras que otros tienen funciones distintas.
Otra característica de CHyMErA es que tanto Cas9 como Cas12a pueden desplegarse en sitios genómicos cercanos para eliminar fragmentos de genes como los exones. Esto permitió al equipo eliminar individualmente miles de exones que se han relacionado con el cáncer y la función cerebral, pero que no eran susceptibles de atacar solo con Cas9. Los exones se incluyen de forma variable en las transcripciones de los genes y pueden modificar la función de las proteínas codificadas, aunque la forma en que los exones individuales contribuyen a los procesos celulares sigue siendo en gran medida desconocida. De los 2.000 exones analizados por CHyMErA, se descubrió que más de 100 eran críticos para la supervivencia celular, lo que permite que las investigaciones futuras se centren ahora en arrojar luz sobre sus posibles roles en la enfermedad.
"Una vez que identificamos los exones que tienen un papel crítico en la enfermedad, podemos usar esta información para desarrollar nuevas terapias", dice Gonatopoulos-Pournatzis.
La edición de ADN basada en CRISPR ha revolucionado el estudio del genoma humano al permitir la eliminación precisa de cualquier gen humano para obtener información sobre su función. Pero una característica seguía siendo desafiante: la capacidad de eliminar simultáneamente múltiples genes o fragmentos de genes en la misma célula. Sin embargo, este tipo de cirugía del genoma es clave para que los científicos entiendan cómo las diferentes partes del genoma trabajan juntas en el contexto de la fisiología normal y la enfermedad.
Ahora existe una herramienta de este tipo gracias a los equipos de Benjamin Blencowe y Jason Moffat, ambos profesores de genética molecular en el Centro Donnelly de Investigación Celular y Biomolecular. Apodado 'CHyMErA', por Cas Hybrid para aplicaciones de edición y selección multiplexadas, el método se puede aplicar a cualquier tipo de célula de mamífero para apuntar sistemáticamente al ADN en múltiples posiciones al mismo tiempo, como se describe en un estudio publicado en la revista Nature Biotechnology.
A menudo descrito como tijeras del genoma, CRISPR funciona enviando una enzima de corte de ADN a los sitios deseados en el genoma a través de moléculas de ARN guía, diseñadas para adherirse al sitio objetivo. La enzima de corte de ADN más utilizada es Cas9.
Desde que Cas9 salió a la luz por primera vez, los científicos han identificado otras enzimas Cas con propiedades distintas que buscan mejorar y ampliar las aplicaciones de la tecnología. A diferencia de la tecnología CRISPR-Cas9, CHyMErA combina dos enzimas de corte de ADN diferentes, Cas9 y Cas12a, para permitir aplicaciones más versátiles. Cas12a es una enzima que puede usarse para generar múltiples moléculas de ARN guía en la misma célula, que es clave para la edición simultánea de ADN.
Thomas Gonatopoulos-Pournatzis, investigador asociado en el grupo de Blencowe, había pasado varios años tratando de desarrollar la edición combinatoria de genes probando las enzimas Cas9 y Cas12a por su cuenta. Luego tuvo la idea de combinar estas enzimas para generar el sistema CHyMErA.
"Habíamos estado probando varios enfoques para inducir la eliminación de fragmentos genéticos y nada funcionó tan bien como CHyMErA", dice. "Me emocioné cuando, junto con Shaghayegh Farhangmehr, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Blencowe, vimos la primera evidencia de que CHyMErA tuvo éxito en la eliminación de segmentos genéticos. Obtuvimos estos resultados en el Boxing Day y fue el mejor regalo de Navidad que pude podría haber deseado".
El siguiente paso fue aprovechar CHyMErA en pantallas a gran escala para analizar sistemáticamente cómo los genes actúan juntos, así como las funciones de las partes individuales de los genes. El equipo de Blencowe, que estudia la regulación y la función de segmentos de genes conocidos como exones, se acercó a Moffat, cuyo grupo había desarrollado una amplia experiencia con la tecnología CRISPR.
"Con CHyMErA, puede utilizar la mejor de las dos enzimas", dice Michael Aregger, investigador asociado en el laboratorio de Moffat, que desempeñó un papel clave en el desarrollo de aplicaciones basadas en pantallas de CHyMErA. "La comunidad ha mejorado Cas9 para que tenga una eficiencia de edición muy alta, mientras que Cas12a permite la multiplexación de ARN guía y, por lo tanto, proporciona mucha más flexibilidad para encontrar sitios en el genoma que podamos cortar".
En una aplicación de CHyMErA, los investigadores apuntaron a pares de genes conocidos como parálogos, que tienen un código de ADN similar pero siguen siendo poco estudiados porque eran difíciles de investigar. Debido a que los parálogos surgieron por la duplicación de un gen ancestral, se asumió que en gran medida tendrían roles similares. Pero su función no podría ser revelada por los métodos de selección de un solo gen existentes típicamente empleados en las pantallas genéticas, principalmente porque el otro parálogo compensaría el que falta.
"Con CHyMErA, podemos sacar los dos parálogos en parejas para ver si esa función ancestral es importante para que la célula sobreviva", dice Kevin Brown, investigador asociado en el laboratorio de Moffat y coautor del estudio junto con Aregger y Gonatopoulos-Pournatzis. "Ahora podemos interrogar a una clase de genes que anteriormente se había perdido".
Después de eliminar ~700 pares de paralogas, casi todos los que existen en el genoma humano, el análisis confirmó que muchos de estos pares de genes desempeñan funciones similares en la supervivencia celular, mientras que otros tienen funciones distintas.
Otra característica de CHyMErA es que tanto Cas9 como Cas12a pueden desplegarse en sitios genómicos cercanos para eliminar fragmentos de genes como los exones. Esto permitió al equipo eliminar individualmente miles de exones que se han relacionado con el cáncer y la función cerebral, pero que no eran susceptibles de atacar solo con Cas9. Los exones se incluyen de forma variable en las transcripciones de los genes y pueden modificar la función de las proteínas codificadas, aunque la forma en que los exones individuales contribuyen a los procesos celulares sigue siendo en gran medida desconocida. De los 2.000 exones analizados por CHyMErA, se descubrió que más de 100 eran críticos para la supervivencia celular, lo que permite que las investigaciones futuras se centren ahora en arrojar luz sobre sus posibles roles en la enfermedad.
"Una vez que identificamos los exones que tienen un papel crítico en la enfermedad, podemos usar esta información para desarrollar nuevas terapias", dice Gonatopoulos-Pournatzis.
Más información: Mapeo de interacción genética y genómica funcional con resolución de exón con una plataforma híbrida Cas9 – Cas12a, Nature Biotechnology (2020). DOI: 10.1038/s41587-020-0437-z, https://nature.com/articles/s41587-020-0437-z
