Ressusciten ancestres de l’eina d’edició genètica CRISPR de fa 2600 milions d’anys

Un grup de recerca internacional ha reconstruït per primer cop ancestres del conegut sistema CRISPR-Cas de fa 2.600 milions d’anys i n’ha estudiat l’evolució al llarg del temps. Els resultats apunten que els sistemes revitalitzats no només funcionen, sinó que són més versàtils que les versions actuals i podrien tenir aplicacions revolucionàries. La prestigiosa revista científica Nature Microbiology ha donat a conèixer els resultats d’aquesta investigació que, segons l’equip investigador, “obre noves vies per a l’edició genètica”.

Al projecte, dirigit per l’investigador Ikerbasque de CIC nanoGUNE Rául Pérez-Jiménez, hi participen equips del Consell Superior d’Investigacions Científiques, la Universitat d’Alacant, el Centre de Recerca Biomèdica en Xarxa de Malalties Rares (CIBERER), i altres institucions estatals i internacionals,

L’acrònim CRISPR és el nom d’unes seqüències repetitives presents a l’ADN de bacteris i arqueobacteris (organismes procariotes). Entre les repeticions, aquests microorganismes tenen fragments de material genètic de virus que han infectat els seus avantpassats, cosa que els permet reconèixer si es repeteix la infecció i defensar-se tallant l’ADN dels invasors mitjançant proteïnes Cas associades a aquestes repeticions. És un mecanisme (sistema CRISPR-Cas) de defensa antiviral. Aquesta habilitat de reconeixement de seqüències d’ADN és la base de la seva utilitat, com si fossin unes tisores moleculars. La tecnologia CRISPR-Cas permet avui dia tallar i enganxar trossos de material genètic a qualsevol cèl·lula, la qual cosa fa possible la seva utilització per editar l’ADN.

Els esforços de recerca actuals se centren a trobar noves versions de sistemes CRISPR-Cas amb propietats diferents als llocs més recòndits del planeta. Per fer-ho, s’exploren sistemes de diferents espècies que habiten en entorns extrems o s’apliquen tècniques de disseny molecular per modificar-los. Una manera radicalment diferent de trobar sistemes nous és buscar-los en el passat, que és precisament la base d’aquesta investigació.

El grup de Nanobiotecnologia de nanoGUNE, liderat per Raúl Pérez-Jiménez, fa anys que estudia l’evolució de les proteïnes des de l’origen de la vida fins als nostres dies. Realitzen reconstruccions ancestrals de proteïnes i gens d’organismes extints per observar quines qualitats tenen i si són utilitzables en aplicacions biotecnològiques. És un viatge en el temps dut a terme per mitjà de tècniques bioinformàtiques. En aquest treball que acaba de ser publicat a la revista Nature Microbiology han reconstruït per primera vegada la història evolutiva dels sistemes CRISPR-Cas, des d’ancestres de fa 2.600 milions d’anys fins a l’actualitat.

L’equip de recerca ha realitzat la reconstrucció informàtica de les seqüències CRISPR ancestrals, les ha sintetitzat i n’ha estudiat i confirmat la funcionalitat. “Resulta sorprenent que puguem revitalitzar proteïnes Cas que degueren existir fa milers de milions d’anys i constatar que ja tenien llavors la capacitat d’operar com a eines d’edició genètica, cosa que hem confirmat actualment editant amb èxit gens en cèl·lules humanes” explica Lluís Montoliu, investigador del Centre Nacional de Biotecnologia del CSIC (CNB-CSIC) i del CIBERER, i responsable de l’equip que ha validat funcionalment aquestes Cas ancestrals en cèl·lules humanes en cultiu.

Una altra interessant conclusió de l’estudi és que el sistema CRISPR-Cas ha anat fent-se més complex al llarg del temps, la qual cosa és un senyal del caràcter adaptatiu del mateix, que s’ha anat emmotllant a les noves amenaces de virus que els bacteris han patit al llarg de l’evolució. “Aquesta investigació suposa un avanç extraordinari en el coneixement sobre l’origen i l’evolució dels sistemes CRISPR-Cas. Com la pressió selectiva dels virus ha anat polint al llarg de milers de milions d’anys una maquinària rudimentària, poc selectiva als seus inicis, fins a convertir-la en un sofisticat mecanisme de defensa capaç de distingir amb gran precisió el material genètic d’invasors indesitjats que ha de destruir, del seu propi ADN que cal preservar”, afegeix l’investigador de la Universitat d’Alacant i descobridor de la tècnica CRISPR-Cas, Francis Mojica. A la vessant aplicada, “el treball representa una forma original d’abordar el desenvolupament d’eines CRISPR per generar nous instruments i millorar les derivades dels existents en organismes actuals”, afegeix Mojica.

“Els sistemes actuals són molt complexos i estan adaptats per funcionar dins un bacteri. Quan el sistema s’utilitza fora d’aquest entorn, per exemple, en cèl·lules humanes, el sistema immune provoca un rebuig i, a més, hi ha determinades restriccions moleculars que en limiten l’ús. Curiosament, en els sistemes ancestrals algunes d’aquestes restriccions desapareixen, cosa que els confereix una versatilitat més gran per a noves aplicacions”, recalca Pérez-Jiménez.

Miguel Ángel Moreno, cap del servei de Genètica de l’HRYC-IRYCIS-CIBERER, apunta que “la ingenuïtat que podia tenir una nucleasa ancestral, pel que fa que no reconeix tan específicament algunes regions del genoma, les converteix en eines més versàtils per corregir mutacions que fins ara eren no editables o es corregien de manera poc eficient”. El seu equip ha desenvolupat l’eina Mosaic Finder, que ha permès caracteritzar mitjançant seqüenciació massiva i anàlisi bioinformàtica l’efecte de l’edició del genoma produït per aquests casos ancestrals en cèl·lules humanes en cultiu.

Ylenia Jabalera, investigadora del projecte en nanoGUNE, sosté que “aquest èxit científic fa possible disposar d’eines d’edició genètica amb propietats diferents de les actuals, molt més flexibles, cosa que obre noves vies en la manipulació d’ADN i tractament de malalties com ara ELA, càncer, diabetis, o fins i tot com a eina de diagnòstic de malalties”.

El treball és el resultat d’una investigació internacional de diversos centres i laboratoris liderat per nanoGUNE en col·laboració amb els grups de Francis Mojica, de la Universitat d’Alacant, que va encunyar l’acrònim CRISPR; Lluís Montoliu, investigador del CNB-CSIC i del CIBERER i un dels referents sobre CRISPR a Espanya; Marc Güell de la Universitat Pompeu Fabra i Premi Nacional en Investigació i Transferència Tecnològica al camp de l’edició de genomes amb fins terapèutics; Miguel Ángel Moreno-Pelayo, cap del servei de Genètica de l’Hospital Ramon i Cajal-IRYCIS, i membre del CIBERER, i Benjamin Kleinstiver de l’Hospital General de Massachusetts i de l’Escola de Medicina de Harvard, referent mundial en el disseny de sistemes CRISPR- Cas.

Referència:

Borja Alonso-Lerma, Ylenia Jabalera, Sara Samperio, Matías Morin, Almudena Fernández, Logan T. Hille, Rachel A. Silverstein, Ane Quesada-Ganuza, Antonio Reifs, Sergio Fernández-Peñalver, Yolanda Benítez, Lucia Soletto, José A Gavira Adrián Diaz, Wim Vranken, Avència Sanchez-Mejías, Marc Güell, Francisco JM Mojica, Benjamin P. Kleinstiver, Miquel A Moreno-Pelayo, Lluís Montoliu, Raúl Pérez-Jiménez. “Evolution of CRISPR-associated Endonucleases as Inferred from Resurrected Proteins”, Nature Microbiology 2022.

Doi: 10.1038/s41564-022-01265-i

Informació i Foto: Universitat Alacant