Noii editori de gene CRISPR pot repara ARN și ADN-ul câte o greșeală de tipar

Noile instrumente de editare genetică pot corecta greșelile de ortografie care reprezintă aproximativ jumătate din erorile de ortografie genetice care cauzează boli.

Cercetătorii au reînnoit editorul de gene CRISPR/Cas9, astfel încât să transforme baza ADN-ului adenina în guanină, au raportat chimistul biologic David Liu și colegii săi pe 25 octombrie în Natură. Într-un studiu separat, publicat pe 25 octombrie în Ştiinţăalți cercetători conduși de pionierul CRISPR Feng Zhang au reproiectat un editor de gene numit CRISPR/Cas13 pentru a corecta aceleași greșeli de scriere în ARN în loc de ADN.

Împreună cu alte versiuni ale CRISPR/Cas9, noii editori oferă oamenilor de știință un set extins de instrumente de precizie pentru corectarea bolilor.

CRISPR/Cas9 este o foarfecă moleculară care taie ADN-ul. Oamenii de știință pot ghida foarfecele către locul pe care doresc să-l taie în cartea de instrucțiuni genetice a unui organism cu un ARN ghid care se potrivește cu ADN-ul la locul țintă. Instrumentul a fost folosit pentru a produce mutații sau pentru a le corecta la animale și în celule umane, inclusiv embrioni umani (SN: 14.10.17, str. 8).

O varietate de inovații permit CRISPR/Cas9 să schimbe instrucțiunile genetice fără a tăia ADN-ul (SN: 9/3/16, str. 22). Versiunile anterioare ale acestor „editori de bază”, care vizează greșelile de ortografie legate de cealaltă jumătate a erorilor de ortografie genetice care cauzează boli, au fost deja folosite pentru a modifica genele în plante, pești, șoareci și chiar embrioni umani.

Rescrie genetică

Editorii de baze fuzionează enzimele care pot modifica structura chimică a bazelor ADN într-o versiune „moartă” a CRISPR/Cas9 care nu taie ADN-ul. Primii editori de bază dezvoltați în 2016 folosesc citidin deaminaza pentru a schimba perechile de baze CG în perechi TA (sus). Un nou editor de baze (de jos) folosește ADN adenin deaminaza pentru a face schimbarea opusă, transformând perechile de baze AT în perechi GC.

Astfel de editori de gene fără tăiere sunt probabil mai siguri decât versiunile tradiționale de tăiere a ADN-ului, spune Gene Yeo, un biolog ARN la Universitatea din California, San Diego. „Știm că există dezavantaje în tăierea ADN-ului”, a spus el. Greșeli apar adesea atunci când mașinile celulare încearcă să repare rupturile ADN-ului. Și, deși precis, CRISPR taie uneori ADN-ul în locuri similare cu ținta, crescând posibilitatea introducerii de noi mutații în altă parte. Astfel de „editări permanente ireversibile în locul greșit în ADN-ul ar putea fi rele”, spune Yeo. „Aceste două lucrări au moduri diferite de a rezolva această problemă.”

Noii editori le permit cercetătorilor să rescrie toate cele patru baze care stochează informații în ADN și ARN. Aceste patru baze sunt adenina (A) care se perechează cu timina (T) (sau uracilul (U) în ARN) și guanina (G) cu citozina (C). Mutațiile care schimbă perechile de baze CG în perechi TA apar de 100 până la 500 de ori pe zi în celulele umane. Majoritatea acestor mutații sunt probabil benigne, dar unele pot modifica structura și funcția unei proteine ​​sau pot interfera cu activitatea genelor, ducând la boală. Aproximativ jumătate din cele 32.000 de mutații asociate cu boli genetice umane sunt acest tip de schimbare CG la TA, spune Liu, un investigator al Institutului Medical Howard Hughes de la Universitatea Harvard. Până acum, nimeni nu putea face nimic în privința asta, spune el.

În ARN, vărul chimic al ADN-ului, unele enzime care apar în mod natural pot inversa această mutație comună. Astfel de enzime convertesc chimic adenina în inozină (I), pe care celula o interpretează ca G. O astfel de editare a ARN se întâmplă frecvent la caracatițe și alte cefalopode și uneori la oameni (SN: 29.04.17, str. 6).

Zhang, de la Broad Institute of MIT și Harvard, și colegii lui au făcut o enzimă de editare a ARN numită ADAR2 într-un instrument programabil de editare a genelor. Echipa a început cu CRISPR/Cas13, foarfece moleculare care în mod normal taie ARN-ul. Tocirea lamelor lasă instrumentul să se apuce în loc de a tăia. Zhang și colegii au fixat apoi porțiunea de conversie A-la-I a ADAR2 pe CRISPR/Cas13. Numit REPAIR, instrumentul de conglomerat a editat de la 13% la aproximativ 27% din ARN-urile a două gene din celulele umane crescute în vase. Cercetătorii nu au detectat modificări nedorite.

Editarea ARN-ului este bună pentru remedieri temporare, cum ar fi oprirea proteinelor care promovează inflamația. Dar pentru a repara multe mutații, este nevoie de reparații permanente ale ADN-ului, spune Liu.

În 2016, echipa lui Liu a creat un editor de bază care convertește C în T. Cercetătorii chinezi au raportat în Proteine ​​și celule pe 23 septembrie că au folosit vechiul editor de bază în embrioni umani pentru a repara o mutație care provoacă tulburarea sanguină beta-talasemie. Dar acel editor nu a putut face schimbarea opusă, schimbând A la G.

Spre deosebire de ARN, nicio enzimă nu face în mod natural conversia A-la-I în ADN. Deci Nicole Gaudelli în laboratorul lui Liu a forțat E coli bacterii pentru a dezvolta una. Apoi, cercetătorii au înșurubat E coli Convertorul ADN-ului, TadA, la o versiune „moartă” a Cas9, a fost dezactivat, astfel încât nu a putut tăia ambele fire de ADN. Rezultatul a fost un editor de bază, numit ABE, care ar putea schimba perechile de baze AT în perechi GC în aproximativ 50 la sută din celulele umane testate.

Acest editor de bază funcționează mai mult ca un creion decât ca o foarfecă, spune Liu. În vasele de laborator, echipa lui Liu a corectat o mutație în celulele umane de la un pacient cu o tulburare a sângelui de depozitare a fierului numită hemocromatoză ereditară. Echipa a recreat, de asemenea, mutații benefice care permit celulelor sanguine să producă în continuare hemoglobină fetală. Se știe că aceste mutații protejează împotriva anemia cu celule falciforme.

Un alt grup a raportat în octombrie Proteine ​​și celule acea editare de bază pare a fi mai sigură decât editarea tradițională CRISPR/Cas9 cu tăiere și inserare. Rezultatele lui Liu par să susțină asta. Echipa sa a descoperit că aproximativ 14 la sută din timpul tăiați și lipiți CRISPR/Cas9 au făcut modificări la nouă din 12 site-uri posibile „în afara țintă”. Noul editor de bază A-to-G a modificat doar patru dintre cele 12 site-uri nețintă și doar 1,3% din timp.

Asta nu înseamnă că editarea prin tăiere și inserare nu este utilă, spune Liu. „Uneori, dacă sarcina ta este să tai ceva, nu vei face asta cu un creion. Ai nevoie de foarfece.”

Nota editorului: Feng Zhang face parte din consiliul de administrație al Societății pentru Știință și Public, care publică Știri Științe.