
Proteínas Megaphages Harbour Mini-Cas ideales para la edición del genoma
Los megafagos albergan proteínas mini-Cas ideales para la edición del genoma
Noticias de Berkeley | Robert Sanders | 16 de julio de 2020
Video de UC Berkeley por Roxanne Makasdjian
Las proteínas de corte de ADN fundamentales para CRISPR-Cas9 y las herramientas de edición del genoma relacionadas surgieron originalmente de bacterias fotosintéticas, pero una nueva variedad de Proteínas Cas Las proteínas aparentemente evolucionaron en virus que infectan bacterias.
Las nuevas proteínas Cas se encontraron en los virus más grandes que infectan bacterias conocidos, llamados bacteriófagos, y son las variantes de Cas funcionales más compactas descubiertas hasta ahora: la mitad del tamaño del caballo de batalla actual. Cas9.
Las proteínas Cas más pequeñas y compactas son más fáciles de transportar a las células para realizar edición del genoma, ya que se pueden empaquetar en pequeños vehículos de reparto, incluido uno de los más populares: un desactivado virus llamado virus adenoasociado (AAV). Las proteínas Cas hipercompactas también dejan espacio dentro del AAV para carga adicional.
Como una de las proteínas Cas más pequeñas conocidas hasta la fecha, la recientemente descubierta CasΦ (Cas-phi) tiene ventajas sobre las herramientas de edición del genoma actuales cuando deben administrarse a las células para manipular genes de cultivos o curar enfermedades humanas.
“Los adenovirus son el caballo de Troya perfecto para distribuir gen editores: "Se pueden programar fácilmente los virus para que lleguen a casi cualquier parte del cuerpo", dijo Patrick Pausch, investigador postdoctoral en la Universidad de California, Berkeley, y en el Instituto de Genómica Innovadora (IGI) de UC Berkeley, un grupo de investigación conjunto de UC Berkeley/UCSF dedicado a descubrir y estudiar nuevas herramientas para genoma, La edición en agricultura y enfermedades humanas. “Pero sólo se puede introducir una Cas9 muy pequeña en un virus de este tipo para distribuirlo. Si se tuvieran otros sistemas CRISPR-Cas que fueran realmente compactos, en comparación con Cas9, eso daría suficiente espacio para elementos adicionales: diferentes proteínas fusionadas a la Cas proteína, letra singular “Plantillas de reparación u otros factores que regulan la proteína Cas y controlan el resultado de la edición genética”.
Aparentemente, estos “megafagos” usan la proteína CasΦ (la letra griega Φ, o phi, se usa como abreviatura de bacteriófagos) para engañar a las bacterias para que luchen contra virus rivales, en lugar de a sí mismas.
“Lo que realmente me interesó en estudiar esta proteína específicamente es que todos los sistemas CRISPR-Cas conocidos se descubrieron originalmente en bacterias y Archaea para defenderse de los virus, pero esta fue la única vez que se encontró por primera vez un tipo completamente nuevo de sistema CRISPR-Cas, y hasta ahora solo se encontró, en genomas virales ”, dijo Basem Al-Shayeb, estudiante de doctorado en el IGI. "Eso nos hizo pensar en lo que podría ser diferente acerca de esta proteína, y con eso vinieron muchas propiedades interesantes que luego encontramos en el laboratorio".
Entre estas propiedades: CasΦ evolucionó para ser aerodinámico, combinando varias funciones en una proteína para que pueda prescindir de la mitad de los segmentos proteicos de Cas9. Es tan selectivo para apuntar a regiones específicas de ADN como el Cas9 original. enzima de bacterias, e igualmente eficiente, y funciona en células de bacterias, animales y plantas, lo que lo convierte en un editor de genoma prometedor y de amplia aplicación.
“Este estudio muestra que esta proteína CRISPR-Cas codificada por el virus es realmente muy buena en lo que hace, pero es mucho más pequeña, aproximadamente la mitad del tamaño de Cas9”, dijo la fundadora del IGI, Jennifer Doudna, profesora de Biología Molecular y Genética de la UC Berkeley. Celular Biología y Química e investigador del Instituto Médico Howard Hughes. “Eso es importante, porque podría hacer que sea mucho más fácil introducirlo en las células de lo que estamos encontrando con Cas9. Cuando pensamos en cómo edición del “En el futuro se aplicará uno de los obstáculos más importantes que enfrenta el campo en este momento: la administración. Creemos que este sistema CRISPR-Cas codificado por virus muy pequeño puede ser una forma de superar esa barrera”.
Pausch y Al-Shayeb son los primeros autores de un artículo que describe CasΦ que apareció hoy en la revista Ciencia.
Biggiephages llevan sus propias proteínas Cas
La proteína CasΦ fue descubierta por primera vez el año pasado por Al-Shayeb en el laboratorio de Jill Banfield, profesora de Ciencias de la Tierra y Planetarias y Ciencias, Políticas y Gestión Ambientales de la Universidad de Berkeley. Los megafagos que contienen CasΦ eran parte de un grupo al que llamaron Biggiephage y se encontraron en una variedad de ambientes, desde charcas primaverales y suelos de bosques saturados de agua hasta lagunas de estiércol de vaca.
“Utilizamos la secuenciación metagenómica para descubrir bacterias, arqueas y virus en muchos entornos diferentes y luego exploramos sus inventarios genéticos para comprender cómo funcionan los organismos de forma independiente y en combinación dentro de sus comunidades”, dijo Banfield. “Los sistemas CRISPR-Cas en fago “Son un aspecto particularmente interesante de la interacción entre los virus y sus huéspedes”.
Aunque la metagenómica Aunque el gen que codifica CasΦ permitió a los investigadores aislarlo, su secuencia les indicó únicamente que se trataba de una proteína Cas de la familia de tipo V, aunque evolutivamente distante de otras proteínas Cas de tipo V, como Cas12a, CasX (Cas12e) y Cas14. No tenían idea de si funcionaba como un sistema inmunológico contra el ADN extraño. El estudio actual demostró que, de manera similar a Cas9, CasΦ ataca y corta genomas extraños en células bacterianas, así como ADN de doble cadena en células de riñón embrionario humano y células de la planta. Arabidopsis thaliana. También puede apuntar a una gama más amplia de secuencias de ADN que Cas9.
La capacidad de CasΦ para cortar ADN de doble hebra es una gran ventaja. Todas las demás proteínas Cas compactas cortan preferentemente ADN monocatenario. Entonces, si bien pueden encajar perfectamente en sistemas de administración compactos como AAV, son mucho menos útiles cuando se editan ADN, que es de doble hebra, dentro de las células.
Como sucedió después de que se reconoció por primera vez la capacidad de Cas9 para editar el genoma en 2012, hay mucho margen para optimizar CasΦ para la edición del genoma y descubrir las mejores reglas para diseñar ARN guía dirigidos a genes específicos, dijo Pausch.
Otros coautores del artículo son Ezra Bisom-Rapp, Connor Tsuchida, Brady Cress y Gavin Knott de la Universidad de California en Berkeley, y Zheng Li y Steven E. Jacobsen de la Universidad de California en Los Ángeles. Los investigadores fueron financiados, en parte, por el Paul G. Allen Frontiers Group, el consorcio de edición del genoma de células somáticas de los Institutos Nacionales de Salud (U01AI142817-02) y la Fundación Nacional de Ciencias (DGE 1752814).
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