Tecnologia Científica

Novas proteínas de edição de genes programáveis ​​encontradas fora dos sistemas CRISPR
Os pesquisadores descobriram que as enzimas guiadas por RNA são mais diversas e disseminadas do que se acreditava anteriormente.
Por Jennifer Michalowski - 18/09/2021


Soumya Kannan é um estudante graduado do Centro Yang-Tan de 2021-22 para Terapêutica Molecular no laboratório do Professor Feng Zhang do MIT e coprimeiro autor com Han Altae-Tran de um estudo relatando uma nova classe de sistemas modificadores de DNA programáveis ​​conhecidos como OMEGAs. Créditos: Foto: Caitlin Cunningham

Na última década, os cientistas adaptaram os sistemas CRISPR de micróbios à tecnologia de edição de genes, um sistema preciso e programável para modificar o DNA. Agora, os cientistas do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT e do Broad Institute of MIT e Harvard descobriram uma nova classe de sistemas modificadores de DNA programáveis ​​chamados OMEGAs (Obligate Mobile Element Guided Activity), que podem estar naturalmente envolvidos no embaralhamento de pequenos pedaços de DNA. genomas bacterianos.

Essas antigas enzimas de corte de DNA são guiadas até seus alvos por pequenos pedaços de RNA. Embora tenham se originado em bactérias, agora foram projetados para funcionar em células humanas, sugerindo que podem ser úteis no desenvolvimento de terapias de edição de genes, particularmente porque são pequenos (cerca de 30 por cento do tamanho de Cas9), tornando-os mais fáceis de entregam às células do que as enzimas mais volumosas. A descoberta, relatada em 9 de setembro na revista Science , fornece evidências de que enzimas guiadas por RNA naturais estão entre as proteínas mais abundantes na Terra, apontando para uma vasta área nova da biologia que está prestes a conduzir a próxima revolução na tecnologia de edição de genoma.

A pesquisa foi liderada pelo investigador McGovern Feng Zhang , que é o professor de neurociência James e Patricia Poitras do MIT, um investigador do Howard Hughes Medical Institute e um membro do Core Institute do Broad Institute. A equipe de Zhang tem explorado a diversidade natural em busca de novos sistemas moleculares que possam ser programados racionalmente.

“Estamos muito entusiasmados com a descoberta dessas enzimas programáveis ​​amplamente difundidas, que sempre estiveram escondidas sob nossos narizes”, disse Zhang. “Esses resultados sugerem a possibilidade tentadora de que existam muitos mais sistemas programáveis ​​que aguardam descoberta e desenvolvimento como tecnologias úteis.”

Adaptação natural

Enzimas programáveis, particularmente aquelas que usam um guia de RNA, podem ser adaptadas rapidamente para diferentes usos. Por exemplo, as enzimas CRISPR usam naturalmente um guia de RNA para alvejar invasores virais, mas os biólogos podem direcionar Cas9 para qualquer alvo, gerando seu próprio guia de RNA. “É tão fácil apenas mudar uma sequência de guia e definir um novo alvo”, diz Soumya Kannan, estudante de pós-graduação em engenharia biológica do MIT e coautoria do artigo. “Então, uma das grandes questões em que estamos interessados ​​é tentar ver se outros sistemas naturais usam esse mesmo tipo de mecanismo.”

Os primeiros indícios de que as proteínas OMEGA podem ser dirigidas pelo RNA vieram dos genes para proteínas chamadas IscBs. Os IscBs não estão envolvidos na imunidade CRISPR e não eram conhecidos por se associarem ao RNA, mas pareciam pequenas enzimas de corte de DNA. A equipe descobriu que cada IscB tinha um pequeno RNA codificado nas proximidades e direcionou as enzimas IscB para cortar sequências de DNA específicas. Eles chamaram esses RNAs de “ωRNAs”.

Os experimentos da equipe mostraram que duas outras classes de pequenas proteínas conhecidas como IsrBs e TnpBs, um dos genes mais abundantes em bactérias, também usam ωRNAs que atuam como guias para direcionar a clivagem do DNA.

IscB, IsrB e TnpB são encontrados em elementos genéticos móveis chamados transposons. Han Altae-Tran, estudante de graduação do MIT em engenharia biológica e coautor do artigo, explica que cada vez que esses transposons se movem, eles criam um novo RNA guia, permitindo que a enzima que eles codificam corte em outro lugar.

Não está claro como as bactérias se beneficiam desse embaralhamento genômico - ou mesmo se o fazem. Os transposons são frequentemente considerados pedaços egoístas de DNA, preocupados apenas com sua própria mobilidade e preservação, diz Kannan. Mas se os hosts podem “cooptar” esses sistemas e reaproveitá-los, os hosts podem ganhar novas habilidades, como acontece com os sistemas CRISPR que conferem imunidade adaptativa.

IscBs e TnpBs parecem ser os predecessores dos sistemas Cas9 e Cas12 CRISPR. A equipe suspeita que eles, junto com IsrB, provavelmente deram origem a outras enzimas guiadas por RNA, também - e eles estão ansiosos para encontrá-los. Eles estão curiosos sobre a gama de funções que podem ser realizadas na natureza por enzimas guiadas por RNA, diz Kannan, e suspeitam que a evolução provavelmente já tirou proveito de enzimas OMEGA como IscBs e TnpBs para resolver problemas que os biólogos estão ansiosos para resolver.

“Muitas das coisas em que estivemos pensando podem já existir naturalmente em alguma capacidade”, diz Altae-Tran. “Versões naturais desses tipos de sistemas podem ser um bom ponto de partida para se adaptar a essa tarefa específica.”

A equipe também está interessada em rastrear a evolução dos sistemas guiados por RNA no passado. “Encontrar todos esses novos sistemas esclarece como os sistemas guiados por RNA evoluíram, mas não sabemos de onde vem a própria atividade guiada por RNA”, diz Altae-Tran. Compreender essas origens, diz ele, pode abrir caminho para o desenvolvimento de ainda mais classes de ferramentas programáveis.

Este trabalho foi possível com o apoio do Centro Simons para o Cérebro Social do MIT, do National Institutes of Health e seu Programa de Pesquisa Intramural, Howard Hughes Medical Institute, Open Philanthropy, G. Harold e Leila Y. Mathers Charitable Foundation, Edward Mallinckrodt Jr. Foundation, Poitras Center for Psychiatric Disorders Research at MIT, Hock E. Tan e K. Lisa Yang Center for Autism Research at MIT, Yang-Tan Center for Molecular Therapeutics no MIT, Lisa Yang, família Phillips, R. Metcalfe, e J. e P. Poitras.

 

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