Los científicos han descubierto cómo modificar la arquitectura básica de CRISPR para extender su alcance más allá del genoma y hacia lo que se conoce como epigenoma: proteínas y moléculas pequeñas que se adhieren al ADN y controlan cuándo y dónde se activan o desactivan los genes.
En un artículo publicado el 9 de abril de 2021 en la revista Cell , los investigadores de la UC San Francisco y el Instituto Whitehead describen una nueva herramienta basada en CRISPR llamada "CRISPRoff", que permite a los científicos desactivar casi cualquier gen en las células humanas sin producir un edición única del código genético. Los investigadores también muestran que una vez que se apaga un gen, permanece inerte en los descendientes de la célula durante cientos de generaciones, a menos que se vuelva a encender con una herramienta complementaria llamada CRISPRon, también descrita en el documento.
Debido a que el epigenoma juega un papel central en muchas enfermedades, desde la infección viral hasta el cáncer, la tecnología CRISPRoff algún día puede conducir a poderosas terapias epigenéticas. Y dado que este enfoque no implica ninguna edición de ADN, es probable que sea más seguro que los tratamientos CRISPR convencionales, que se sabe que causan cambios no deseados y potencialmente dañinos en el genoma.
"Aunque las terapias genéticas y celulares son el futuro de la medicina, existen preocupaciones de seguridad potenciales en torno al cambio permanente del genoma, por lo que estamos tratando de encontrar otras formas de usar CRISPR para tratar enfermedades", dijo Luke Gilbert, PhD, profesor del Centro de Cáncer Integral Familiar Helen Diller de UCSF y coautor principal del nuevo artículo.
Transformando CRISPR de genoma a editor de epigenoma
CRISPR convencional está equipado con dos piezas de hardware molecular que lo convierten en una herramienta eficaz de edición de genes. Un componente es una enzima de corte de ADN, que le da a CRISPR la capacidad de alterar las secuencias de ADN. El otro es un dispositivo de localización que se puede programar para concentrarse en cualquier secuencia de ADN de interés, lo que imparte un control preciso sobre dónde se realizan las ediciones.
Para construir CRISPRoff, los investigadores prescindieron de la función enzimática de corte de ADN de CRISPR convencional mientras retuvieron el dispositivo de búsqueda, creando un CRISPR reducido capaz de apuntar a cualquier gen, pero sin editarlo. Luego ataron una enzima a este CRISPR barebones. Pero en lugar de empalmar el ADN, esta enzima actúa sobre el epigenoma.
La nueva herramienta se dirige a una característica epigenética particular conocida como metilación del ADN, que es una de las muchas partes moleculares del epigenoma. Cuando el ADN está metilado, una pequeña etiqueta química conocida como grupo metilo se fija al ADN, que silencia los genes cercanos. Aunque la metilación del ADN ocurre naturalmente en todas las células de mamíferos, CRISPRoff ofrece a los científicos un control sin precedentes sobre este proceso. Otra herramienta descrita en el documento, llamada CRISPRon, elimina las marcas de metilación depositadas por CRISPRoff, haciendo que el proceso sea completamente reversible.
"Ahora tenemos una herramienta simple que puede silenciar la gran mayoría de genes", dijo Jonathan Weissman, PhD, miembro del Whitehead Institute, coautor principal del nuevo artículo y ex miembro de la facultad de UCSF. "Podemos hacer esto para múltiples genes al mismo tiempo sin ningún daño en el ADN, y de una manera que se puede revertir. Es una gran herramienta para controlar la expresión genética".
La "gran sorpresa" pone fin a un principio básico de la epigenética
Basándose en un trabajo anterior de un grupo en Italia, los investigadores confiaban en que CRISPRoff sería capaz de silenciar genes específicos, pero sospechaban que alrededor del 30 por ciento de los genes humanos no responderían a la nueva herramienta.
El ADN consta de cuatro letras genéticas: A, C, G, T, pero, en general, solo las C junto a las G pueden estar metiladas. Para complicar las cosas, los científicos han creído durante mucho tiempo que la metilación solo podía silenciar los genes en sitios del genoma donde las secuencias CG están altamente concentradas, regiones conocidas como "islas CpG".
Dado que casi un tercio de los genes humanos carecen de islas CpG, los investigadores asumieron que la metilación no apagaría estos genes. Pero sus experimentos CRISPRoff volcaron este dogma epigenético.
"Lo que se pensaba antes de este trabajo era que el 30 por ciento de los genes que no tienen islas CpG no estaban controlados por la metilación del ADN", dijo Gilbert. "Pero nuestro trabajo muestra claramente que no se necesita una isla CpG para desactivar genes por metilación. Eso, para mí, fue una gran sorpresa".
La herencia epigenética mejora el potencial terapéutico de CRISPRoff
Los editores epigenéticos fáciles de usar como CRISPRoff tienen un enorme potencial terapéutico, en gran parte porque, al igual que el genoma, el epigenoma puede heredarse.
Cuando CRISPRoff silencia un gen, el gen no solo permanece desactivado en la célula tratada, sino que también permanece desactivado en los descendientes de la célula a medida que se divide, hasta por 450 generaciones.
Para sorpresa de los investigadores, esto se mantuvo incluso en células madre en proceso de maduración. Aunque la transición de la célula madre a la célula adulta diferenciada implica un recableado significativo del epigenoma, las marcas de metilación depositadas por CRISPRoff se heredaron fielmente en una fracción significativa de las células que hicieron esta transición.
Estos hallazgos sugieren que CRISPRoff solo necesitaría administrarse una vez para tener efectos terapéuticos duraderos, lo que lo convierte en un enfoque prometedor para el tratamiento de trastornos genéticos raros, incluido el síndrome de Marfan, que afecta el tejido conectivo, el síndrome de Job, un trastorno del sistema inmunológico y ciertas formas. de cáncer - que son causados por la actividad de una sola copia dañada de un gen.
Los investigadores señalaron que, aunque CRISPRoff es excepcionalmente prometedor, se necesita más trabajo para realizar todo su potencial terapéutico. El tiempo dirá si CRISPRoff y tecnologías similares son realmente "el futuro de la medicina".
Fuente de la historia:
Materiales proporcionados por la Universidad de California - San Francisco . Original escrito por Jason Alvarez. Nota: El contenido puede editarse por estilo y longitud.
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