Un nuevo algoritmo encuentra muchas enzimas de edición de genes en el ADN ambiental

Acercarse / Estructura proteica de CAS, mostrada con unión a ácido nucleico.

CRISPR (repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente espaciadas) es la respuesta del mundo microbiano a la inmunidad adaptativa. Las bacterias no generan anticuerpos cuando son invadidas por patógenos y luego bloquean esos anticuerpos si se encuentran nuevamente con el mismo patógeno, como lo hacemos nosotros. En cambio, integran parte del ADN del patógeno en su genoma y lo unen a una enzima que pueden usar para reconocer la secuencia de ADN del patógeno y cortarla en pedazos si el patógeno reaparece.

La enzima que realiza el corte se llama Cas, en honor a CRISPR. Aunque el sistema CRISPR-Cas evolucionó como un mecanismo de defensa bacteriano, los investigadores lo han aprovechado y adaptado como una poderosa herramienta para la manipulación genética en estudios de laboratorio. También ha demostrado sus usos agrícolas y el primer tratamiento basado en CRISPR ha sido aprobado en el Reino Unido para tratar la anemia falciforme y la beta-talasemia dependiente de transfusiones.

Ahora, los investigadores han desarrollado una nueva forma de buscar genomas para sistemas similares a CRISPR-Cas. Descubrieron que podríamos tener muchas herramientas adicionales con las que trabajar.

modificación del ADN

Hasta la fecha se han identificado seis tipos de sistemas CRISPR-Cas en diferentes microbios. Aunque difieren en detalles, todos tienen el mismo atractivo: suministran proteínas a una secuencia específica de material genético con un grado de especificidad que hasta ahora ha sido técnicamente difícil, costoso y lento de lograr. Cualquier secuencia de ADN de interés en el sistema puede programarse y dirigirse.

Los sistemas nativos de los microbios suelen incorporar una exonucleasa (una enzima que escinde el ADN) a la secuencia, cortando el material genético de los patógenos. Esta capacidad se puede utilizar para cortar cualquier secuencia de ADN elegida para la edición de genes; Combinado con enzimas y/u otras secuencias de ADN, puede usarse para insertar o eliminar secuencias cortas adicionales y para corregir genes mutantes. Algunos sistemas CRISPR-Cas cortan moléculas de ARN específicas en lugar de ADN. Se pueden utilizar para eliminar el ARN que causa enfermedades, como los genomas de algunos virus, de la misma manera que se eliminan en las bacterias nativas. Esto también se puede utilizar para rescatar defectos en el procesamiento del ARN.

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Pero hay muchas formas adicionales de modificar los ácidos nucleicos que pueden resultar útiles. Es una cuestión abierta si han evolucionado enzimas que realizan modificaciones adicionales. Entonces algunos investigadores decidieron buscarlos.

Investigadores del MIT han desarrollado una nueva herramienta para detectar matrices CRISPR variantes y la han aplicado a 8,8 tera (1.012) pares de bases de información genómica procariótica. Muchos de los sistemas que encontraron son raros y solo han aparecido en el conjunto de datos en los últimos 10 años, lo que resalta lo importante que es continuar agregando muestras ambientales que antes eran difíciles de obtener en estos depósitos de datos.

La nueva herramienta era necesaria porque las bases de datos de secuencias de proteínas y ácidos nucleicos se están expandiendo a un ritmo ridículo, por lo que las técnicas para analizar todos esos datos deben mantenerse al día. Algunos de los algoritmos utilizados para analizarlos intentan comparar cada secuencia con todas las demás, lo que es claramente insostenible cuando se trata de miles de millones de genes. Otros se basan en la agrupación, pero sólo encuentran genes que son muy similares, por lo que no pueden arrojar luz sobre las relaciones evolutivas entre proteínas distantes. Pero la agrupación rápida y basada en hashtags sensible a la ubicación (“ensamblaje rápido”) funciona agrupando miles de millones de proteínas en conjuntos de secuencias más pequeños y más grandes que difieren sólo ligeramente para identificar parientes nuevos y raros.

Una búsqueda utilizando FLSHclust extrajo con éxito 188 nuevos sistemas CRISPR-Cas.

Mucha CRISPyness

Algunos temas surgieron del trabajo. Una es que algunos de los sistemas CRISPR recientemente identificados utilizan enzimas Cas con dominios que nunca antes se habían visto, o que parecen ser fusiones con genes conocidos. Los científicos también caracterizaron algunas de estas enzimas y descubrieron que una es más específica que las enzimas CRISPR actualmente en uso, y otra corta el ARN que, según proponen, es estructuralmente lo suficientemente distinto como para incluir un sistema CRISPR-Cas tipo 7 completamente nuevo.

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Un corolario de este tema es vincular enzimas con diferentes funciones, no solo nucleasas (enzimas que cortan el ADN y el ARN), con matrices CRISPR. Los científicos han explotado la notable capacidad de CRISPR para atacar genes uniéndolos a otros tipos de enzimas y moléculas, como los tintes fluorescentes. Pero aparentemente la evolución llegó ahí primero.

Por ejemplo, FLSHclust identificó algo llamado transposasa que está asociado con dos tipos diferentes de sistemas CRISPR. La transposasa es una enzima que ayuda a transferir una parte específica del ADN a otra parte del genoma. La transformación dirigida por ARN CRISPR se ha visto antes, pero este es otro ejemplo de ello. Se ha encontrado asociada a las matrices CRISPR toda una gama de proteínas con diferentes funciones, como proteínas con dominios transmembrana y moléculas de señalización, lo que pone de relieve la naturaleza de combinación y combinación de la evolución de estos sistemas. Incluso encontraron una proteína expresada por un virus que se une a las matrices CRISPR y las inactiva, y el virus esencialmente desactiva el sistema CRISPR que evolucionó para proteger contra los virus.

Los investigadores no solo encontraron nuevas proteínas asociadas con matrices CRISPR, sino que también encontraron otras matrices repetidas espaciadas regularmente que no estaban asociadas con ninguna enzima Cas, similares a CRISPR pero no CRISPR. No están seguros de la función de estos sistemas guiados por ARN, pero especulan que participan en la defensa al igual que CRISPR.

Los autores se propusieron encontrar «una lista de proteínas guiadas por ARN que amplíe nuestra comprensión de la biología y evolución de estos sistemas y proporcione un punto de partida para el desarrollo de nuevas biotecnologías». Y parecen haber logrado su objetivo: «Los resultados de este trabajo revelan una flexibilidad regulatoria y funcional y una modularidad sin precedentes de los sistemas CRISPR», escriben, y concluyen: «Esto representa sólo una pequeña fracción de los sistemas descubiertos, pero resalta la amplitud del potencial sin explotar de la biodiversidad de la Tierra”. Los candidatos restantes servirán como recurso para futuras exploraciones.

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Artículo DOI: 10.1126/ciencia.adi1910

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