Uma vasta busca pela diversidade natural levou cientistas do Instituto McGovern de Pesquisa Cerebral do MIT e do Instituto Broad do MIT e Harvard a descobrir sistemas antigos com potencial para expandir a caixa de ferramentas de edição do genoma. 

Esses sistemas, que os pesquisadores chamam de sistemas TIGR (Tandem Interspaced Guide RNA), usam RNA para guiá-los para locais específicos no DNA. Os sistemas TIGR podem ser reprogramados para atingir qualquer sequência de DNA de interesse, e eles têm módulos funcionais distintos que podem atuar no DNA alvo. Além de sua modularidade, o TIGR é muito compacto em comparação a outros sistemas guiados por RNA, como o CRISPR, o que é uma grande vantagem para entregá-lo em um contexto terapêutico.  

Essas descobertas foram publicadas on-line em 27 de fevereiro na revista Science .

“Este é um sistema guiado por RNA muito versátil com muitas funcionalidades diversas”, diz Feng Zhang, o Professor James e Patricia Poitras de Neurociência no MIT, que liderou a pesquisa. As proteínas associadas ao TIGR (Tas) que a equipe de Zhang encontrou compartilham um componente característico de ligação ao RNA que interage com um guia de RNA que o direciona para um local específico no genoma. Alguns cortam o DNA naquele local, usando um segmento de corte de DNA adjacente da proteína. Essa modularidade pode facilitar o desenvolvimento de ferramentas, permitindo que os pesquisadores troquem novos recursos úteis em proteínas Tas naturais.

“A natureza é bem incrível”, diz Zhang, que também é pesquisador no Instituto McGovern e no Instituto Médico Howard Hughes, um membro principal do Instituto Broad, professor de ciências cerebrais e cognitivas e engenharia biológica no MIT e codiretor do Centro K. Lisa Yang e Hock E. Tan de Terapêutica Molecular no MIT. “Ela tem uma quantidade tremenda de diversidade, e temos explorado essa diversidade natural para encontrar novos mecanismos biológicos e aproveitá-los para diferentes aplicações para manipular processos biológicos”, diz ele. Anteriormente, a equipe de Zhang adaptou sistemas CRISPR bacterianos em ferramentas de edição genética que transformaram a biologia moderna. Sua equipe também encontrou uma variedade de proteínas programáveis, tanto de sistemas CRISPR quanto de outros. 

Em seu novo trabalho, para encontrar novos sistemas programáveis, a equipe começou zerando em uma característica estrutural da proteína CRISPR-Cas9 que se liga ao guia de RNA da enzima. Essa é uma característica fundamental que tornou a Cas9 uma ferramenta tão poderosa: "Ser guiada por RNA torna relativamente fácil reprogramar, porque sabemos como o RNA se liga a outro DNA ou outro RNA", explica Zhang. Sua equipe pesquisou centenas de milhões de proteínas biológicas com estruturas conhecidas ou previstas, procurando por qualquer uma que compartilhasse um domínio semelhante. Para encontrar proteínas mais distantemente relacionadas, eles usaram um processo iterativo: a partir da Cas9, eles identificaram uma proteína chamada IS110, que já havia sido mostrada por outros para se ligar ao RNA. Eles então se concentraram nas características estruturais da IS110 que permitem a ligação ao RNA e repetiram sua busca. 

Nesse ponto, a busca havia encontrado tantas proteínas distantemente relacionadas que a equipe recorreu à inteligência artificial para dar sentido à lista. “Quando você está fazendo mineração profunda e iterativa, os resultados podem ser tão diversos que são difíceis de analisar usando métodos filogenéticos padrão, que dependem de sequência conservada”, explica Guilhem Faure, um biólogo computacional no laboratório de Zhang. Com um modelo de linguagem de proteína grande, a equipe conseguiu agrupar as proteínas que encontraram em grupos de acordo com suas prováveis relações evolutivas. Um grupo se destacou do resto, e seus membros eram particularmente intrigantes porque eram codificados por genes com sequências repetitivas regularmente espaçadas que lembram um componente essencial dos sistemas CRISPR. Esses eram os sistemas TIGR-Tas.

A equipe de Zhang descobriu mais de 20.000 proteínas Tas diferentes, ocorrendo principalmente em vírus que infectam bactérias. Sequências dentro da região repetitiva de cada gene — seus conjuntos TIGR — codificam um guia de RNA que interage com a parte de ligação ao RNA da proteína. Em algumas, a região de ligação ao RNA é adjacente a uma parte de corte do DNA da proteína. Outras parecem se ligar a outras proteínas, o que sugere que elas podem ajudar a direcionar essas proteínas para alvos de DNA.     

Zhang e sua equipe experimentaram dezenas de proteínas Tas, demonstrando que algumas podem ser programadas para fazer cortes direcionados no DNA em células humanas. Enquanto pensam em desenvolver sistemas TIGR-Tas em ferramentas programáveis, os pesquisadores são encorajados por recursos que podem tornar essas ferramentas particularmente flexíveis e precisas.

Eles observam que os sistemas CRISPR só podem ser direcionados a segmentos de DNA que são flanqueados por motivos curtos conhecidos como PAMs (motivos adjacentes protoespaçadores). As proteínas Tas do TIGR, em contraste, não têm tal requisito. "Isso significa que, teoricamente, qualquer local no genoma deve ser direcionável", diz a consultora científica Rhiannon Macrae. Os experimentos da equipe também mostram que os sistemas TIGR têm o que Faure chama de "sistema de guia duplo", interagindo com ambas as fitas da dupla hélice do DNA para se concentrar em suas sequências alvo, o que deve garantir que atuem apenas onde são direcionadas por seu guia de RNA. Além disso, as proteínas Tas são compactas — um quarto do tamanho do Cas9, em média — tornando-as mais fáceis de administrar, o que pode superar um grande obstáculo à implantação terapêutica de ferramentas de edição genética.  

Animados com sua descoberta, a equipe de Zhang agora está investigando o papel natural dos sistemas TIGR em vírus, bem como como eles podem ser adaptados para pesquisa ou terapêutica. Eles determinaram a estrutura molecular de uma das proteínas Tas que descobriram que funciona em células humanas e usarão essa informação para orientar seus esforços para torná-la mais eficiente. Além disso, eles observam conexões entre os sistemas TIGR-Tas e certas proteínas de processamento de RNA em células humanas. "Acho que há mais para estudar em termos de quais podem ser algumas dessas relações, e isso pode nos ajudar a entender melhor como esses sistemas são usados em humanos", diz Zhang.

Este trabalho foi apoiado pela Helen Hay Whitney Foundation, Howard Hughes Medical Institute, K. Lisa Yang e Hock E. Tan Center for Molecular Therapeutics, Broad Institute Programmable Therapeutics Gift Donors, Pershing Square Foundation, William Ackman, Neri Oxman, a família Phillips, J. e P. Poitras e a BT Charitable Foundation.