Fanzor, la primera enzima de corte de ADN guiada por ARN que se encuentra en eucariotas, podría algún día ser aprovechada para editar ADN con mayor precisión que los actuales sistemas CRISPR/Cas.
MIT / 28 de junio, 2023.- Un equipo de investigadores dirigido por Feng Zhang en el Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro en el MIT y el Instituto Broad del MIT y Harvard ha descubierto el primer sistema programable guiado por ARN en eucariotas, organismos que incluyen hongos, plantas y animales.
En un estudio publicado el 28 de junio en Nature, el equipo describe cómo el sistema se basa en una proteína llamada Fanzor. Demostraron que las proteínas Fanzor utilizan el ARN como guía para apuntar al ADN con precisión, y que los Fanzor pueden reprogramarse para editar el genoma de las células humanas. Los sistemas compactos Fanzor tienen el potencial de administrarse más fácilmente a las células y tejidos como terapias que los sistemas CRISPR-Cas, y mejoras adicionales para mejorar su eficiencia de orientación podrían convertirlos en una nueva tecnología valiosa para la edición del genoma humano.
CRISPR-Cas se descubrió por primera vez en procariotas (bacterias y otros organismos unicelulares que carecen de núcleo) y los científicos, incluidos los del laboratorio de Zhang, se han preguntado durante mucho tiempo si existen sistemas similares en los eucariotas. El nuevo estudio demuestra que los mecanismos de corte de ADN guiados por ARN están presentes en todos los reinos de la vida.
«Los sistemas basados en CRISPR son ampliamente utilizados y potentes porque se pueden reprogramar fácilmente para apuntar a diferentes sitios en el genoma», dice Zhang, autor principal del estudio, profesor de neurociencia James y Patricia Poitras en los departamentos de Ingeniería Biológica y Ciencias Cognitivas y Cerebrales del MIT, investigador del Instituto McGovern del MIT, miembro central del Instituto Broad e investigador del Instituto Médico Howard Hughes. “Este nuevo sistema es otra forma de realizar cambios precisos en las células humanas, complementando las herramientas de edición del genoma que ya tenemos”.
Buscando los dominios de la vida
Uno de los principales objetivos del laboratorio de Zhang es desarrollar medicamentos genéticos utilizando sistemas que puedan modular las células humanas dirigiéndose a genes y procesos específicos. «Hace varios años, comenzamos a preguntar: ‘¿Qué hay más allá de CRISPR? ¿Hay otros sistemas programables de ARN en la naturaleza?'», dice Zhang.
Hace dos años, los miembros del laboratorio de Zhang descubrieron una clase de sistemas programables de ARN en procariotas llamados OMEGA, que a menudo están vinculados con elementos transponibles, o «genes saltarines», en genomas bacterianos y probablemente dieron lugar a los sistemas CRISPR-Cas. Ese trabajo también destacó las similitudes entre los sistemas OMEGA procarióticos y las proteínas Fanzor en los eucariotas, lo que sugiere que las enzimas Fanzor también podrían usar un mecanismo guiado por ARN para apuntar y cortar el ADN.
En el nuevo estudio, los investigadores continuaron su trabajo en sistemas guiados por ARN aislando Fanzors de especies de hongos, algas y amebas, además de una almeja conocida como quahog del norte. El coautor Makoto Saito, del laboratorio de Zhang, dirigió la caracterización bioquímica de las proteínas Fanzor, lo que demuestra que son enzimas endonucleasas que cortan el ADN y utilizan ARN no codificantes cercanos conocidos como ARNω para dirigirse a sitios particulares del genoma. Es la primera vez que se encuentra este mecanismo en eucariotas, como los animales.
A diferencia de las proteínas CRISPR, las enzimas Fanzor están codificadas en el genoma eucariótico dentro de elementos transponibles, y el análisis filogenético del equipo sugiere que los genes Fanzor han migrado de bacterias a eucariotas a través de la llamada transferencia horizontal de genes.
“Estos sistemas OMEGA son más ancestrales que CRISPR y se encuentran entre las proteínas más abundantes del planeta, por lo que tiene sentido que hayan podido alternar entre procariotas y eucariotas”, dice Saito.
Sin daños colaterales
Para explorar el potencial de Fanzor como herramienta de edición del genoma, los investigadores demostraron que puede generar inserciones y eliminaciones en sitios específicos del genoma dentro de las células humanas. Los investigadores encontraron que el sistema Fanzor inicialmente era menos eficiente para cortar ADN que los sistemas CRISPR-Cas, pero mediante ingeniería sistemática, introdujeron una combinación de mutaciones en la proteína que aumentó su actividad 10 veces. Además, a diferencia de algunos sistemas CRISPR y la proteína OMEGA TnpB, el equipo encontró que una proteína Fanzor derivada de hongos no exhibió «actividad colateral», donde una enzima guiada por ARN escinde su objetivo de ADN y degrada el ADN o ARN cercano. Los resultados sugieren que Fanzors podría potencialmente desarrollarse como editores de genoma eficientes.
El coautor Peiyu Xu dirigió un esfuerzo para analizar la estructura molecular del complejo Fanzor/ωRNA e ilustrar cómo se adhiere al ADN para cortarlo. Fanzor comparte similitudes estructurales con su contraparte procariótica, la proteína CRISPR-Cas12, pero la interacción entre el ωRNA y los dominios catalíticos de Fanzor es más extensa, lo que sugiere que el ωRNA podría desempeñar un papel en las reacciones catalíticas. “Estamos entusiasmados con estos conocimientos estructurales para ayudarnos a diseñar y optimizar aún más Fanzor para mejorar la eficiencia y la precisión como editor del genoma”, dijo Xu.
Al igual que los sistemas basados en CRISPR, el sistema Fanzor se puede reprogramar fácilmente para apuntar a sitios específicos del genoma, y Zhang dijo que algún día podría convertirse en una nueva y poderosa tecnología de edición del genoma para aplicaciones terapéuticas y de investigación. La abundancia de endonucleasas guiadas por ARN como Fanzors amplía aún más la cantidad de sistemas OMEGA conocidos en todos los reinos de la vida y sugiere que aún hay más por descubrir.
“La naturaleza es increíble. Hay tanta diversidad”, dice Zhang. «Probablemente haya más sistemas programables de ARN, y continuamos explorando y, con suerte, descubriremos más».
Los otros autores del artículo incluyen a Guilhem Faure, Samantha Maguire, Soumya Kannan, Han Altae-Tran, Sam Vo, AnAn Desimone y Rhiannon Macrae.