O toxină bacteriană permite primul editor de gene mitocondriale

Armamentul bacterian are o utilizare neașteptată în celulele umane.

O proteină secretată de bacterii pentru a ucide alți microbi a fost reproiectată pentru a modifica ADN-ul inaccesibil altor editori de gene, raportează oamenii de știință online pe 8 iulie în Natură. Avansul deschide calea pentru o zi repararea mutațiilor în mitocondrii. Acele organele producătoare de energie sunt moștenite de la o mamă și au propriul lor ADN, diferit de informația genetică – de la ambii părinți – care este stocată în nucleul unei celule.

„Sunt biolog mitocondrial de 25 de ani și văd acest lucru ca un progres extrem de important pentru domeniu”, spune Vamsi Mootha, un investigator al Institutului Medical Howard Hughes la Spitalul General Massachusetts din Boston și la Institutul Broad al MIT și Harvard. .

Mutațiile ADN-ului mitocondrial provoacă peste 150 de sindroame distincte și afectează 1.000 până la 4.000 de copii născuți în Statele Unite în fiecare an. Nu există remedii pentru aceste boli și, în prezent, singura modalitate de a preveni un copil să moștenească mitocondriile disfuncționale este o metodă controversată „bebeluș cu trei părinți” (SN: 14/12/16). Această tehnică de fertilizare in vitro necesită mitocondrii de la un ou donator, pe lângă informațiile genetice de la o mamă și un tată.

O abordare pentru dezvoltarea de remedii pentru boli genetice este editarea genelor, o tehnică care face modificări direct ADN-ului. Poate cel mai faimos editor de gene, CRISPR/Cas9 este o foarfecă moleculară care taie ADN-ul. Cercetătorii au folosit anterior, de asemenea, molecule numite TALEN pentru a tăia ADN-ul mitocondrial la șoareci și pentru a elimina organitele defecte (SN: 23/04/15). O tehnologie mai nouă, numită editori de bază, îmbină proteinele care pot schimba bazele ADN – reprezentate de literele A, C, G și T – la o versiune modificată a proteinei asociate CRISPR Cas9 (SN: 25/10/17). Acești editori transformă chimic o bază de ADN în alta, în esență reparând greșelile de scriere care pot duce la boli. Această tehnologie, însă, funcționează numai asupra ADN-ului din nuclee, nu mitocondriilor.

Toxina secretată de bacterii Burkholderia cenocepacia s-a dovedit în mod neașteptat a fi soluția necesară pentru a crea un editor de bază prietenos cu mitocondriile. Marcos de Moraes, microbiolog la Universitatea Washington din Seattle, a dedus că toxina a ucis bacteriile provocând mutații perturbatoare a ADN-ului. Dar timp de luni de zile, el nu a putut descurca modul în care a funcționat procesul la nivel molecular. Era pe punctul de a trece de la proiect, când un singur experiment noaptea târziu a făcut ca totul să se lase la loc.

A fost ca o telenovelă, spune de Moraes. El bănuise devreme că proteina toxină se atașează la ADN și modificase o literă ADN, citozina (C), așa că semăna cu una diferită, timina (T). Aceste greșeli de tip ADN intenționate au fost cele care au doborât victimele toxinei. Dar ceea ce de Moraes a învățat din acel experiment fatidic de noapte târziu a fost că, spre deosebire de toate celelalte proteine ​​care convertesc citozina, toxina a făcut modificări ADN-ului dublu catenar, mai degrabă decât ADN-ului monocatenar.

Aceasta pare o diferență minoră, dar are implicații majore. Până acum, editorii de bază au folosit proteine ​​precum Cas9 pentru a separa ADN-ul țintă în catene simple înainte de a face o schimbare. Dar bucățile de ARN necesare pentru funcționarea acestor proteine ​​nu pot ajunge în mitocondrii. Un editor de bază bazat pe B. cenocepacia toxina, care funcționează pe ADN-ul dublu catenar, nu ar mai trebui să depindă de Cas9.

Perspectiva dezvoltării unui instrument prietenos cu mitocondriile a stimulat conversațiile cu David Liu, un biolog chimic și investigator HHMI la Universitatea Harvard și Institutul Broad al MIT și Harvard.

Noua enzimă de conversie a citozinei, totuși, a fost la fel de letală pentru celulele de mamifere precum a fost pentru prada bacteriană. Primul pas în „îmblânzirea fiarei” a fost modificarea toxinei, astfel încât să nu distrugă fără discernământ ADN-ul dublu catenar, spune Liu. Cercetătorii au împărțit proteina în jumătăți netoxice; cele două bucăți au schimbat citozina în timină numai atunci când au fost reunite în același loc de ADN.

„Este destul de genial”, spune Carlos Moraes, un biolog mitocondrial la Universitatea din Miami din Florida, care nu a fost implicat în lucrare.

Pentru a direcționa activitatea jumătăților de enzime, cercetătorii au atașat proteinele TALE, bucăți scurte de proteine ​​care ar putea fi alese pentru a viza anumite porțiuni de ADN. În experimentele de cultură celulară, editorul mitocondrial a convertit cu succes citozină în timină în locațiile ADN mitocondriale dorite, cu eficiențe variind de la 5 la 49 la sută.

Lucrările viitoare vor avea ca scop îmbunătățirea eficienței, dezvoltarea de noi tipuri de editori mitocondriali care pot produce alte modificări ale bazei ADN și să vadă dacă editarea genelor mitocondriale funcționează la animale.

„Acesta este doar primul pas”, spune Shoukhrat Mitalipov, un biolog mitocondrial la Universitatea de Sănătate și Știință Oregon din Portland, care nu a fost implicat în lucrare. „Dar în direcția corectă.”