El potencial revolucionario de los genes saltarines
Un hallazgo molecular peculiar en las bacterias podría ser la clave para rediseñar genomas a voluntad, permitiendo a los investigadores insertar, eliminar o invertir grandes segmentos de ADN.
La técnica, descrita en tres artículos publicados este mes en Nature y Nature Communications, aprovecha la capacidad natural de secuencias genéticas móviles, llamadas genes saltarines, para insertarse en los genomas.
Guiado por una molécula de ARN llamada ‘bridge RNA’ o ‘seekRNA’, el sistema ha demostrado editar genes en una bacteria y en reacciones en tubos de ensayo, pero aún no está claro si puede adaptarse para funcionar en células humanas. Si lo hace, podría ser revolucionario, debido a su tamaño reducido y su capacidad para realizar cambios genéticos que abarcan miles de bases, mucho más grandes que lo práctico con el sistema de edición de genoma CRISPR-Cas9, sin romper el ADN.
“Si esto funciona en otras células, cambiará el juego”, dice Sandro Fernandes Ataide, un biólogo estructural de la Universidad de Sídney en Australia, y autor del artículo de Nature Communications. “Está abriendo un nuevo campo en la edición de genes.”
Tesoros trasladables
Al igual que muchas celebridades, el ascenso a la fama de CRISPR-Cas9 ha sido plagado de titulares engañosos. Aunque el método puede usarse para reescribir pequeños segmentos de genomas, no es el sistema de corte y pegado completamente versátil que algunos reportajes de noticias han sugerido. La técnica se utiliza más a menudo para cambiar solo una o unas pocas bases de ADN, y eso generalmente requiere primero romper el ADN y luego depender de los sistemas innatos de reparación de ADN de la célula para generar el cambio deseado. Sin embargo, esto abre la puerta a daños genéticos colaterales no deseados, ya que la célula implementa la reparación.
A medida que CRISPR avanza en la medicina humana, los investigadores están ansiosos por ampliar su arsenal de edición de genes para poder insertar genes enteros o incluso múltiples genes en una ubicación de su elección. Hacerlo les permitiría desarrollar una terapia que trate a personas que tienen varias mutaciones en un solo gen, en lugar de dirigirse a cada mutación con un enfoque personalizado. Y la capacidad de editar varios genes podría permitir a los investigadores diseñar células inmunitarias para atacar el cáncer de múltiples maneras, manteniendo el control sobre dónde se insertan esos genes en el genoma.
“Lo que realmente quiere hacer en el futuro es ser capaz de diseñar secciones enteras de tu genoma, no bases individuales”, dice Patrick Hsu, un bioingeniero en el Instituto Arc sin fines de lucro en Palo Alto, California, y autor de ambos artículos de Nature.
Para buscar herramientas, Hsu y sus colegas examinaron una clase diversa de enzimas que permiten que elementos de ADN móviles en las bacterias salten de una ubicación a otra. Se centraron en una familia de elementos trasladables llamados IS110.
Las enzimas de la familia IS110 utilizan un sistema de orientación basado en ARN complejo e inusual, descubrió el equipo. Un extremo del ARN se une a un sitio del ADN que se insertará en el genoma y el otro extremo se une a un fragmento de ADN en el sitio en el genoma donde irá la carga. Debido a que el ARN conecta los dos segmentos de ADN, el equipo llamó a estas moléculas ‘bridge RNAs’.
Cambiando las secuencias en cada extremo de este puente, los investigadores pudieron programar las enzimas IS110 para insertar una carga de su elección donde desearan en el genoma. Utilizaron el sistema para insertar con precisión un fragmento de ADN de casi 5,000 bases de longitud en el genoma de la bacteria Escherichia coli, y para extirpar e invertir otro fragmento de ADN del genoma de E. coli.
Trabajando de forma independiente a Hsu, Ataide y sus colegas caracterizaron la bioquímica de las moléculas IS110, así como las de otra familia, llamada IS1111, que utiliza un mecanismo similar y también es programable. Llaman a sus intermediarios de ARN ‘seekRNA’.
Descubrir y explotar estos mecanismos es un logro notable, dice Elizabeth Kellogg, quien estudia elementos de ADN móviles llamados transposones en el Hospital de Investigación Infantil St. Jude en Memphis, Tennessee. “A todos les encanta que los transposones puedan insertar grandes cargas de ADN”, dice, “pero hacerlos programables y específicos del sitio es extremadamente difícil”.
Otros sistemas de transposición que los investigadores han explorado para la edición de genomas son más complejos, señala, y a menudo consisten en múltiples proteínas. En otro artículo publicado en Nature este mes, los investigadores determinaron cómo los componentes clave de algunas de estas máquinas elaboradas forman una estructura compleja conocida como un transposoma, que trabaja junto con una enzima llamada transposasa para permitir que los elementos genéticos móviles salten por el genoma.
El tamaño importa
De manera similar, los esfuerzos para diseñar sistemas basados en CRISPR para realizar grandes manipulaciones en el genoma a menudo también requieren múltiples proteínas, o una fusión de una enzima Cas con otra proteína. Por ejemplo, un artículo publicado el 26 de junio en Cell describe un método para duplicar fragmentos del genoma de hasta 100 millones de bases, más grandes que algunos cromosomas humanos, utilizando una proteína Cas9 unida a una enzima que puede copiar la secuencia donante.
Los sistemas IS110 e IS1111, en cambio, requieren solo una proteína, y esta es menos de la mitad del tamaño de muchas de las enzimas Cas utilizadas en los sistemas de edición de genomas CRISPR. Esta diferencia de tamaño es importante para las aplicaciones médicas: los virus utilizados a menudo para transportar componentes de edición de genomas a células humanas tienen una capacidad de carga limitada.
Pero los sistemas CRISPR también tienen la ventaja de la versatilidad, dice Chengzu Long, un bioingeniero en New York University Langone Health en la ciudad de Nueva York. Algunas enzimas Cas funcionan en casi todos los tipos de células estudiadas.
El trabajo en los sistemas IS110 e IS1111 es “hermoso”, dice Long. “Pero realmente espero que en unos meses, digan que está funcionando en ratones”, agrega. “Entonces, vamos a tomar un café juntos.”
Hasta el momento, los miembros de la familia IS110 no parecen funcionar bien en células de mamíferos, dice Hiroshi Nishimasu, un biólogo estructural de la Universidad de Tokio que trabajó con Hsu para determinar el mecanismo por el cual una enzima de IS110 se dirige al ADN. El equipo está tratando de ajustarlos para que funcionen mejor en las células de mamíferos. Independientemente de su éxito allí, el mecanismo de IS110 destaca como una forma novedosa y “elegante” en la que los elementos de ADN móviles pueden viajar por el genoma, dice Nancy Craig, vicepresidenta senior de SalioGen Therapeutics, una empresa de biotecnología en Lexington, Massachusetts, que tiene como objetivo desarrollar herramientas de edición de genomas utilizando transposones de mamíferos.
“La Madre Naturaleza ha encontrado muchas soluciones para esto”, dice. “Hemos encontrado algunas, pero hay muchas más esperando por nosotros.”