Decodificación de la estructura de un sistema CRISPR basado en ARN

Decodificación de la estructura de un sistema CRISPR basado en ARN

Investigadores del Instituto Salk descubren detalles moleculares de una nueva herramienta de ingeniería genética

LA JOLLA: en los últimos años, CRISPR-Cas9 se ha movido más allá del banco de laboratorio y se ha convertido en el espíritu de la época del público. Esta herramienta de edición de genes promete corregir defectos dentro de las células individuales y potencialmente curar o prevenir muchas dolencias humanas. Pero el sistema Cas9 altera el ADN, no el ARN, y algunos expertos creen que poder modificar el ARN en última instancia puede resultar igual de útil.

Ahora, los científicos del Instituto Salk informan por primera vez sobre la estructura molecular detallada de CRISPR-Cas13d, una enzima prometedora para la tecnología emergente de edición de ARN. Pudieron visualizar la enzima gracias a la microscopía crioelectrónica (cryo-EM), una tecnología de vanguardia que permite a los investigadores capturar la estructura de moléculas complejas con un detalle sin precedentes. Los hallazgos se informaron el 20 de septiembre de 2018 en la revista Celular.

"Este documento proporciona un modelo molecular para la ingeniería genética dirigida al ARN", dice el profesor asistente de Salk. Dmitri Lyumkis, biólogo estructural y uno de los autores correspondientes del estudio. “Se suma a la variedad de herramientas que se necesitan para realizar este tipo de investigación biomédica crucial”.

Derivado de genes encontrados originalmente en bacterias, CRISPR se ha descrito como "tijeras moleculares" o un "programa de procesamiento de textos para células vivas". Intercambia un segmento del código genético con otro. En el sistema CRISPR-Cas9, Cas9 es la enzima que corta el ADN. Sin embargo, contar con herramientas de edición para el ARN permitiría a los científicos modificar la actividad de un gen sin realizar un cambio permanente, y potencialmente peligroso, en el propio gen.

"El ADN es constante, pero lo que siempre cambia son los mensajes de ARN que se copian del ADN", dice Silvana Konermann, investigadora asociada de Salk, becaria Hanna Gray del Instituto Médico Howard Hughes y una de las primeras autoras del estudio. “Ser capaz de modular esos mensajes controlando directamente el ARN tiene implicaciones importantes para influir en el destino de una célula”.

A principios de este año, Konermann y Miembro de Helmsley-Salk Patrick Hsu publicó otro artículo en Celular descubriendo la familia de enzimas llamada CRISPR-Cas13d e informando que este sistema CRISPR alternativo fue efectivo para reconocer y cortar el ARN. El equipo también demostró que esta herramienta podría usarse para corregir un desequilibrio de proteínas que causa enfermedades en las células de una persona con demencia.

El nuevo estudio, una colaboración entre los laboratorios Lyumkis y Hsu, se basó en el descubrimiento de la familia Cas13d y proporciona los detalles moleculares que explican cómo funciona.

"En nuestro artículo anterior, descubrimos una nueva familia CRISPR que se puede usar para diseñar ARN directamente dentro de las células humanas", dice Hsu, quien es el otro autor correspondiente del nuevo trabajo. “Ahora que hemos podido visualizar la estructura de Cas13d, podemos ver con más detalle cómo se guía la enzima hacia el ARN y cómo puede cortar el ARN. Estos conocimientos nos permiten mejorar el sistema y hacer que el proceso sea más efectivo, allanando el camino para nuevas estrategias para tratar enfermedades basadas en el ARN”.

El equipo usó crio-EM para revelar nuevos detalles en Cas13d al congelar la enzima en diferentes estados dinámicos, lo que permitió a los investigadores decodificar una variedad de actividades en lugar de solo ver una actividad en un solo momento.

"Esto nos permitió ver cómo Cas13d guía, se une y se dirige al ARN", dice Cheng Zhang, investigador asociado en el laboratorio de Lyumkis y el otro primer autor del artículo. “Esperamos que este nuevo conocimiento ayude a expandir el poder de las herramientas de edición de genes”.

Los otros autores del artículo fueron Nicholas J. Brideau y Peter Lotfy de Salk; Xuebing Wu del Instituto Whitehead de Investigación Biomédica; y Scott J. Novick, Timothy Strutzenberg y Patrick R. Griffin del Instituto de Investigación Scripps.

Este trabajo fue apoyado por una beca del Instituto Médico Howard Hughes Hannah H. Gray; una beca de la Fundación Helen Hay Whitney; Subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud NIH-NCI CCSG P30 014195, DP5 OD021369, DP5 OD021396 y U54GM103368; y el Helmsley Charitable Trust.