Descubren una valiosa reserva de enzimas cortadoras de genes similares a CRISPR

Al explorar los orígenes evolutivos de una enzima utilizada en el sistema de edición de genomas CRISPR, investigadores han descubierto más de un millón de otros potenciales editores que habitan en genomas microbianos.

El estudio, publicado el 9 de septiembre en Science, encontró las nuevas enzimas de edición dentro de una familia de proteínas llamadas IscB. Se cree que estas proteínas son los antepasados de la enzima Cas9, conocida como las tijeras moleculares del sistema CRISPR. En el proceso de edición de un genoma, Cas9 se asocia con un fragmento de ARN que guía a la enzima para encontrar y cortar una secuencia de ADN específica. El uso de ARN por la técnica de edición como sistema de guía es una razón clave de su versatilidad y uso generalizado, ya que permite a los investigadores apuntar fácilmente a Cas9 a la región del genoma que desean alterar.

El descubrimiento de otras enzimas dirigidas al ARN capaces de cortar el ADN podría producir más herramientas para la edición de genomas, dice el autor principal del estudio, Feng Zhang, biólogo molecular del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge (MIT). «Estas proteínas programables son muy útiles, más allá de su interés para la biología básica», dice. «Y este mecanismo de reconocimiento de ADN guiado por ARN es probablemente algo que la naturaleza ha creado de forma independiente varias veces».

Aunque los investigadores lo han aprovechado para la ingeniería genética, se cree que CRISPR es un sistema de defensa microbiano que permite a las bacterias y otros organismos unicelulares llamados arqueas defenderse de los virus y otros invasores genéticos, enviando Cas9 hacia ellos para masticar su ADN. Estudios computacionales sugirieron que Cas9 probablemente evolucionó a partir de proteínas de la familia IscB, que están codificadas por transposones, o «genes saltarines», que pueden saltar a nuevas ubicaciones en el genoma. Hasta ahora, la función de las proteínas IscB no estaba clara.

Zhang y sus colegas encontraron que el ADN responsable de codificar las proteínas IscB a menudo se encuentra cerca del ADN de una clase de moléculas de ARN que apodaron ARNω. También descubrieron que algunas proteínas IscB pueden escindir el ADN en un sitio especificado por la secuencia de un ARNω, al igual a como lo hace Cas9 y su ARN guía.

El equipo continuó investigando otra familia de proteínas, llamadas TnpB, que se cree que son los antepasados de otra enzima asociada a CRISPR que corta el ADN, llamada Cas12. Descubrieron que algunas de estas proteínas también podían cortar el ADN cuando eran guiadas por ARNω.

Diversidad inesperada

Búsquedas en bases de datos revelaron más de un millón de genes que podrían llevar el código de las proteínas TnpB, y algunos organismos contienen más de 100 copias de estos genes, dice Soumya Kannan, biólogo molecular del MIT y coautor del estudio.
Y los genes IscB aparecieron no solo en bacterias y arqueas, sino también en el cloroplasto recolector de luz dentro de la célula de un alga. Esta es la primera vez que se han encontrado tales sistemas de edición de genomas en un eucariota (el grupo de organismos cuyas células contienen núcleos, que incluye todas las plantas y animales), un resultado sorprendente que sugiere que están más extendidos de lo que se pensaba anteriormente. «Cada vez que doy una charla, las personas me preguntan si hemos visto actividad CRISPR en una célula eucariota», dice Zhang. «Ahora, finalmente puedo decir ‘sí’».

En la naturaleza, estos genes podrían realizar diversas funciones, incluida la defensa o la regulación de la expresión de otros genes. Y, en el laboratorio, el descubrimiento podría generar un tesoro de herramientas de edición. Zhang y su equipo encontraron que IscB podría usarse para cortar ADN humano, aunque con una eficiencia menor que el popular sistema CRISPR-Cas9. Pero Zhang dice que el sistema IscB podría mejorarse y señala que el pequeño tamaño de la proteína IscB podría hacer que su uso sea más fácil en algunas aplicaciones.

Para el genetista Gaetan Burgio, de la Universidad Nacional de Australia en Canberra, la verdadera belleza del estudio es su contribución a la comprensión de la evolución y, a finalmente, asignarle una posible función a un grupo tan grande y prevalente de proteínas como las IscB. «Es absolutamente fascinante», dice. «Llena un vacío importante: realmente no sabíamos cómo estos sistemas CRISPR se convirtieron en CRISPR».

Heidi Ledford

Referencia: «The widespread IS200/605 transposon family encodes diverse programmable RNA-guided endonucleases»; Altae-Tran, H. et al., en Science, 9 de septiembre de 2021.