A ferramenta de edição de genes CRISPR superprecisa está configurada para lidar com doenças genéticas difíceis

Apesar de toda a sua suposta sutileza de edição genética, o CRISPR é um bruto. O canivete suíço das ferramentas de edição genética corta cadeias de DNA para inserir alterações genéticas. O que é chamado de “edição” é na verdade vandalismo genético– escolha um gene com defeito, corte-o e espere que a célula conserte e repare o resto.

É um processo apressado e desajeitado, sujeito a erros e outros efeitos não intencionais e imprevisíveis. Em 2019, pesquisadores liderados pelo Dr. David Liu, em Harvard, decidiram retrabalhar CRISPR de açougueiro a cirurgião, que faz jus ao seu potencial de busca e substituição. O resultado é edição principal, uma versão alternativa do CRISPR com a capacidade de “fazer praticamente qualquer mudança direcionada no genoma de qualquer célula ou organismo vivo.” É o truque da edição de DNA: com apenas um pequeno corte em uma cadeia de DNA, temos todo um menu de possíveis mudanças genéticas ao nosso alcance.

A edição principal foi aclamada como fantástico “Oba, ciência!” momento que poderia concebivelmente reparar quase 90% das mais de 75,000 mil doenças causadas por mutações genéticas. Mas mesmo no seu nascimento, Liu alertou que o CRISPR prime estava apenas dando os primeiros passos no grande e selvagem mundo da mudança do código base de uma forma de vida. “Este primeiro estudo é apenas o começo – e não o fim – de uma aspiração de longa data nas ciências da vida de ser capaz de fazer qualquer alteração no DNA em qualquer posição de um organismo”, disse ele. disse Natureza no momento.

Avancemos dois anos. A ingênua edição genética de Liu sofreu alguns tropeços. Apesar de sua natureza precisa e eficaz, a edição primária só poderia editar genes em certos tipos de células, sendo menos eficaz e introduzindo erros em outros. Ele também falhou ao tentar fazer grandes edições genéticas, especialmente aquelas que exigem a substituição de centenas de letras de DNA para corrigir um erro genético causador de doenças.

Mas a boa notícia? As crianças crescem. Esta semana, três estudos separados avançaram na edição principal, ajudando a ferramenta CRISPR a se tornar um gênio mais sofisticado na edição de DNA.

Duas equipes, sediadas no Universidade de Massachusetts Medical School e os votos de Universidade de Washington, retrabalhou a composição molecular da ferramenta para cortar com precisão até 10,000 letras de DNA de uma só vez – um desafio para a edição Prime 1.0. Um terceiro estudo do inventor original da ferramenta investigou seu funcionamento molecular interno, identificando proteínas amigas e inimigas dentro da célula que controlam as habilidades de edição genética da ferramenta. Ao promover interações amigáveis, a equipe aumentou quase oito vezes a eficiência da edição principal em sete tipos diferentes de células. Melhor ainda, os “inimigos” que bloqueiam o potencial de edição do prime foram identificados usando CRISPR – em outras palavras, estamos testemunhando um círculo completo de inovação em que as ferramentas de edição genética ajudam a construir melhores ferramentas de edição genética.

Uma cartilha para CRISPR Prime

A edição Prime entrou no cenário da edição genética por sua destreza e precisão. Se o CRISPR-Cas9 original é uma dançarina com dois pés esquerdos, a edição principal é uma bailarina altamente treinada.

Os dois processos começam de forma semelhante. Ambos dependem de um “código postal” molecular para direcionar a ferramenta para um gene específico. No CRISPR, é chamado de RNA guia. Para edição principal, é uma versão ligeiramente modificada chamada pegRNA.

Depois que os guias amarram seus respectivos parceiros de dança ao gene, suas rotinas diferem. Para o CRISPR, o segundo componente, Cas9, atua como uma tesoura para cortar ambas as cadeias de DNA. A partir daqui, as células podem eliminar partes de um gene ou – quando recebem um modelo – inserir uma versão saudável de um gene para substituir o original. O custo é a cirurgia molecular. Tal como uma incisão pode não cicatrizar completamente, uma ruptura da cadeia dupla do ADN pode introduzir erros no código genético, levando a efeitos inesperados que variam entre as células.

A edição Prime foi a atualização sofisticada definida para corrigir isso. Em vez de cortar ambas as cadeias de DNA, corta levemente uma cadeia. A partir daí, ele pode excluir ou inserir código genético baseado em um modelo sem depender do mecanismo de reparo do DNA da célula. Em outras palavras, a edição principal abriu um novo universo de edições genéticas que é muito mais controlável do que as iterações anteriores. O CRISPR original foi digitado com os olhos fechados, permitindo pequenas inserções, exclusões ou letras de DNA digitadas incorretamente em nosso texto genético. Com o prime, encontramos uma verdadeira ferramenta de edição de “pesquisar e substituir” – ou assim esperávamos.

Atualizações de estreia

Depois de liberar a edição principal, os cientistas logo perceberam que o prodígio tinha suas peculiaridades. Embora o CRISPR prime tenha permitido operar com precisão o DNA e alterar seu texto – substituindo letras, palavras ou mesmo frases – a ferramenta teve dificuldades ao editar genes maiores. Numa estimativa, genes maiores compreendem cerca de 14% dos tipos de mutações que são difíceis de tratar com o CRISPR convencional.

Os dois novos estudos abordaram esse enigma. Publicado em Biotecnologia Natural, uma equipe desenvolveu um método para remover com precisão um grande pedaço de DNA adicionando um guia adicional e restaurando a atividade de “tesoura” do componente Cas9. Aqui, a ferramenta mirou em dois pontos genéticos ao mesmo tempo para eliminar o DNA agressor. Semelhante à edição principal, o sistema, apelidado de PEDAR, foi capaz de construir pequenos trechos de DNA por meio de uma proteína especial codificada nele – como adicionar blocos de Lego às pontas cortadas. Uma vez que os “blocos” de letras eram longos o suficiente, eles se encaixavam, preenchendo a lacuna após cortar um gene.

“A vantagem é que podemos realmente expandir a escala de edição – permitir que as extremidades do genoma se encontrem em uma quilobase ou 10 quilobases”, dito Dr. Wen Xue, que liderou um dos estudos.

Colocando seu dinheiro onde estava, Xue, com sua equipe, tentou em seguida o PEDAR em um modelo de rato com insuficiência hepática hereditária. Em apenas algumas semanas, os ratos começaram a produzir uma proteína anteriormente deficiente para ajudar as células do fígado a crescerem e se transformarem em grandes pedaços de tecido saudável. Tratados com PEDAR, os ratos tiveram danos hepáticos mínimos e mantiveram um peso saudável em comparação com irmãos sem alterações genéticas.

“Isso nos deixa muito entusiasmados com esta nova tecnologia”, disse Xue. “Antes estávamos fazendo pequenas correções para tratar pequenas mutações. Aqui removemos mais de 1,300 pares de bases, o que representa uma cirurgia genômica muito grande.”

Em outro estudo, o Dr. Junhong Choi reformulou a edição principal no PRIME-Del. Esta versão usa dois guias de RNA que se prendem ao início e ao final de um pedaço de DNA que precisa ser cortado. Imagine um pedaço de corda muito longo e caído no meio. Você corta essas partes e cola o resto adicionando cola nas “abas” finais. A principal atualização de edição desta equipe foi capaz de eliminar até 10,000 letras de DNA em células renais humanas.

Finalmente, o inventor original da edição principal também contribuiu. Um problema, disse ele, é que a ferramenta não funciona de forma eficaz em vários tipos de células e edições. É como uma palavra-chave de edição de palavras que às vezes funciona. neste estudo, sua equipe recorreu ao CRISPR como uma forma de descobrir o que estava limitando o primo original. Com um método denominado “interferência CRISPR”, eles interromperam simultaneamente centenas de genes nas células para ver como a mudança no funcionamento interno da célula alterava a capacidade da ferramenta de edição genética.

Com o teste, a equipe descobriu diversas proteínas que bloqueiam a edição principal, mas também encontrou algumas que aumentam a eficácia e a precisão da ferramenta. Incorporando essas atualizações em uma próxima geração, a equipe projetou PEmax (para “edição de precisão máxima”). Em quase 200 tarefas diversas de edição de genes, a ferramenta de edição principal atualizada aumentou a eficiência em quase 10 vezes em comparação com a original.

Liu está animado para ver a evolução da ferramenta. Para STAT Novidades, disse ele as atualizações são “variações elegantes da edição principal” que poderiam corrigir a grande maioria das inserções genéticas causadoras de doenças conhecidas.

Mas talvez a parte mais alucinante de tudo isso? Semelhante à IA, as nossas atuais ferramentas CRISPR estão a impactar o desenvolvimento de editores genéticos mais novos e mais poderosos num círculo virtuoso. Vamos ver aonde isso leva.

Crédito de imagem: Galeria de imagens do NIH

Fonte: https://singularityhub.com/2021/10/19/super-precise-crispr-tool-set-to-tackle-tough-genetic-disorders/