En naturaleza, CRISPR es una defensa inmunitaria que bacterias fotosintéticas así como de otros microbios utilizan para protegerse contra virus reconociendo y cortando el de sus genomas de virus invasores. En 2020, los investigadores de Innovative Genómica Instituto encontró un CRISPR-Proteínas Cas sistema en lo que parecería ser un lugar improbable: dentro de un virus.
En un nuevo artículo en la revista Cell, una colaboración entre varios investigadores de IGI en UC Berkeley, incluidos Jennifer Doudna, Jill Banfield, David Savage y Brian Staskawicz, así como el laboratorio de Steve Jacobsen en UCLA, informa nuevos hallazgos que la diversidad de sistemas CRISPR en virus que infectan bacterias (bacteriófagos o "fagos" para abreviar) es mucho más rico de lo esperado y podría ser una fuente valiosa de editores de genoma nuevos y eficientes para su uso en humanos, plantas y otros organismos.
Buena caza CRISPR
Encontrar sistemas CRISPR en fagos no fue una casualidad total. Primer autor Basem Al Shayeb, que era estudiante de posgrado en los laboratorios de Banfield y Doudna cuando comenzó esta investigación, tenía la sospecha razonable de que encontraría sistemas CRISPR en fagos y que podrían resultar útiles para edición del genoma.
“Los fagos tienden a tener más restricciones en el tamaño del genoma que muchas bacterias, por lo que el proteínas que están codificados en sus genomas tienden a ser mucho más pequeños. Razoné que los fagos podrían ser un muy buen lugar para encontrar sistemas CRISPR-Cas compactos”, dice Al-Shayeb.
Para gen edición, el tamaño importa: cuanto más pequeña es la molécula de edición de genes, más fácil es entregarla en células para que pueda hacer los cambios deseados en el letra singular. En el estudio de 2020, el equipo encontró sistemas CRISPR en un grupo de fagos inusualmente grandes llamados "megafagos". Si bien los fagos eran enormes, es decir, para los virus, las proteínas asociadas a CRISPR responsables de cortar el ADN, conocidas como "proteínas Cas" para abreviar, eran diminutas en relación con las ampliamente utilizadas. Cas9 proteína de bacterias. Y la nueva proteína no solo era pequeña, sino que funcionó: el equipo pudo adaptar esta nueva proteína llamada CasΦ (Cas-phi) para la edición de genes en células de mamíferos y en células vegetales. Ese hallazgo fue solo la punta del iceberg.
Para el nuevo artículo, Al-Shayeb y sus colegas realizaron una encuesta más amplia sobre bacteriófagos utilizando metagenómica análisis de muestras microbianas del suelo, acuáticas, humanas y animales y encontró una diversidad inesperada que incluye los seis tipos conocidos de sistemas CRISPR repartidos en más de 6000 tipos de fagos, no solo megáfagos. Al igual que CasΦ, estas proteínas Cas recién identificadas eran súper compactas en comparación con las que se encuentran en las bacterias.
Virus Antivirales
Una pregunta clave es ¿por qué los virus andan por ahí con sistemas CRISPR... que matan virus? Como comparación aproximada, imagina tu sorpresa si encuentras una hormiga armada con una pequeña lata de Raid.
“Esa fue mi primera pregunta”, dice Abby Stahl, posdoctorado en el laboratorio de Doudna y coautor del artículo. “Pensé que las bacterias utilizaban predominantemente los sistemas CRISPR para la defensa antifagos y, de repente, me doy cuenta de que también se encuentran en los bacteriófagos. ¿Que están haciendo alli?"
La teoría principal es que estos sistemas CRISPR dan a los fagos una ventaja cuando hay competencia con otros fagos: el fago invasor obtiene un huésped para sí mismo, mientras que su sistema CRISPR ayuda a defenderse de otros posibles atacantes. Sigue sin respuesta cómo los diferentes linajes de fagos pudieron adquirir sistemas CRISPR.
Lo que está claro es que estos sistemas CRISPR codificados por fagos no solo son pequeños, son únicos. Entre la diversidad de sistemas CRISPR y proteínas Cas recientemente descritos, el equipo decidió centrarse en una proteína particularmente pequeña con una estructura diferente a cualquier otra descrita anteriormente, a la que llamaron Casλ (Cas-lambda).
“Hablando de la proteína en sí, su estructura es distinta de cualquier proteína Cas conocida, incluida la otra proteína hipercompacta viral. nucleasa CasΦ”, dice Petr Skopintsev, un postdoctorado en el laboratorio de Doudna que profundizó en la estructura de Casλ utilizando microscopía crioelectrónica. “Cuando busca nuevos sistemas CRISPR, busca algo que no se parezca a lo que ya se ha identificado. Esta proteína era distinta. Es un nuevo tipo de proteína hipercompacta que tiene buenas actividades para la edición del genoma”.
Para verificar esto experimentalmente, el equipo probó Casλ en el laboratorio para editar los genomas de células de mamíferos y plantas y comparó su eficiencia con Cas12a, la proteína Cas de edición de genomas más ampliamente comparable y ampliamente utilizada. Sin ninguna ingeniería adicional, Casλ se desempeñó bien en los diferentes tipos de células.
“Lo comparamos con Cas12a, que es un estándar de oro en el campo como Cas9. El hecho de que pueda funcionar igual o mejor y ser tan pequeño es una gran ventaja para el tratamiento de enfermedades genéticas. Pero también editamos varias plantas diferentes, incluido el trigo, que tradicionalmente es muy difícil de editar”, dice Al-Shayeb.
Incluso con esta encuesta más amplia, la búsqueda de mejores editores de genes y otras herramientas genómicas útiles está lejos de terminar.
“Siempre hay más para explorar”, dice Al-Shayeb. "Eso es lo divertido".
Más información:
Basem Al-Shayeb, Petr Skopintsev, Katarzyna M. Soczek, Elizabeth C. Stahl, Zheng Li, Evan Groover, Dylan Smock, Amy R. Eggers, Patrick Pausch, Brady F. Cress, Carolyn J. Huang, Brian Staskawicz, David F. Salvaje, Steven E. Jacobsen, Jillian F. Banfield, Jennifer A. Doudna. 2022. Diversos sistemas CRISPR-Cas codificados por virus incluyen editores de genoma optimizados. Celular 185 (24): 4574-4586. https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.10.020.
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