Cercetătorii de la Stanford dezvoltă un sistem de editare a genomului CRISPR

Bioinginerii au refăcut un sistem CRISPR „care nu funcționează” pentru a face o versiune mai mică a instrumentului de inginerie a genomului. Mărimea sa diminuativă ar trebui să faciliteze livrarea în celulele umane, țesuturile și corpul pentru terapia genică. Analogia obișnuită pentru editarea genei CRISPR este că funcționează ca o foarfecă moleculară, tăind secțiuni selectate din ADN. Stanley Qi, profesor asistent de bioinginerie la Universitatea Stanford, îi place această analogie, dar crede că este timpul să reimaginați CRISPR ca un cuțit elvețian. „CRISPR poate fi la fel de simplu ca un tăietor sau mai avansat ca un regulator, un editor, un etichetator sau imager. Multe aplicații apar din acest domeniu interesant ”, a spus Qi, care este, de asemenea, profesor asistent de chimie și biologie a sistemelor la Școala de Medicină din Stanford și cercetător al institutului Stanford ChEM-H.

Numeroasele sisteme CRISPR diferite utilizate sau care sunt testate clinic pentru terapia genică a bolilor din ochi, ficat și creier, rămân totuși limitate în domeniul lor de aplicare, deoarece toate suferă de același defect: sunt prea mari și, prin urmare, prea greu de livrat în celule, țesuturi sau organisme vii.Într-o lucrare publicată pe 3 septembrie în Molecular Cell, Qi și colaboratorii săi anunță ceea ce cred că este un pas major înainte pentru CRISPR: un sistem mini-CRISPR eficient, multifuncțional. În timp ce sistemele CRISPR utilizate în mod obișnuit – cu nume precum Cas9 și Cas12a care denotă diverse versiuni ale proteinelor asociate CRISPR (Cas) – sunt formate din aproximativ 1000 până la 1500 de aminoacizi, „CasMINI” are 529. Cercetătorii au confirmat în experimente că CasMINI ar putea șterge, activa și edita codul genetic la fel ca omologii săi mai buni. Dimensiunea sa mai mică înseamnă că ar trebui să fie mai ușor de livrat în celulele umane și în corpul uman, făcându-l un instrument potențial pentru tratarea diferitelor afecțiuni, inclusiv boli oculare, degenerescență de organe și boli genetice în general. Pentru a face sistemul cât mai mic posibil, cercetătorii a decis să înceapă cu proteina CRISPR Cas12f (cunoscută și sub numele de Cas14), deoarece conține doar aproximativ 400 până la 700 de aminoacizi. Cu toate acestea, la fel ca alte proteine ​​CRISPR, Cas12f provine în mod natural din Archaea – organisme unicelulare – ceea ce înseamnă că nu este bine adaptat celulelor de mamifere, cu atât mai puțin celulele sau corpurile umane.

Se știu că doar câteva proteine ​​CRISPR funcționează în celule de mamifere fără modificări. Din păcate, CAS12f nu este una dintre ele. Acest lucru îl face o provocare atrăgătoare pentru bioinginerii precum Qi. „Ne-am gândit:„ Bine, milioane de ani de evoluție nu au reușit să transforme acest sistem CRISPR în ceva care funcționează în corpul uman. Putem schimba asta în doar unul sau doi ani?”. Qi a declarat că: „Din câte știu, am transformat, pentru prima dată, un CRISPR nelucrător într-unul funcțional.” Într-adevăr, Xiaoshu Xu, un savant postdoctoral în laboratorul Qi și autor principal al lucrării, nu a văzut nicio activitate a Cas12f natural în celulele umane. Xu și Qi au emis ipoteza că problema este că ADN-ul genomului uman este mai complicat și mai puțin accesibil decât ADN-ul microbian, ceea ce face dificil pentru Cas12f să-și găsească ținta în celule. Uitându-se la structura prognozată prin calcul a sistemului Cas12f, ea a ales cu grijă aproximativ 40 de mutații ale proteinelor care ar putea ocoli această limitare și a stabilit o conductă pentru testarea mai multor variante de proteine ​​la un moment dat. O variantă de lucru ar transforma, în teorie, o celulă umană în verde activând proteina fluorescentă verde (GFP) în genomul său. „La început, acest sistem nu a funcționat deloc timp de un an”, a spus Xu.

Dar, după iterații de bioinginerie, am văzut că unele proteine ​​proiectate încep să se aprindă, ca magia. Ne-a făcut să apreciem cu adevărat puterea biologiei sintetice și a bioingineriei.” Primele rezultate reușite au fost modeste, dar l-au entuziasmat pe Xu și au încurajat-o să meargă înainte, deoarece acest lucru însemna că sistemul a funcționat. De-a lungul multor iterații suplimentare, ea a reușit să îmbunătățească în continuare performanța proteinei. „Am început să vedem doar două celule care prezintă un semnal verde, iar acum, după inginerie, aproape fiecare celulă este verde la microscop”, a spus Xu. „La un moment dat, a trebuit să o opresc”, și-a amintit Qi. „Am spus„ Asta e bine pentru moment. Ați creat un sistem destul de bun. Ar trebui să ne gândim la modul în care această moleculă poate fi utilizată pentru aplicații. ” În plus față de ingineria proteinelor, cercetătorii au proiectat și ARN-ul care ghidează proteina Cas către ADN-ul său țintă. Modificările aduse ambelor componente au fost cruciale pentru ca sistemul CasMINI să funcționeze în celulele umane. Au testat capacitatea CasMINI de a șterge și edita genele din celulele umane bazate pe laborator, inclusiv genele legate de infecția cu HIV, răspunsul imun antitumoral și anemia. Cercetătorii au început deja să aibă colaborări cu alți oameni de știință pentru a urmări terapii genetice.

Sursa: news.stanford.edu