Los investigadores de Rice usan proteínas Cas9 desactivadas para desencadenar sintéticamente la transcripción de genes

Investigadores de la Universidad de Rice han demostrado que CRISPR-Cas9, cada vez más famoso como herramienta de edición de genes, puede emplearse de formas adicionales poderosas en células humanas. Un equipo dirigido por el bioingeniero de Rice Isaac Hilton y el estudiante graduado Kaiyuan Wang utilizó proteínas Cas9 desactivadas (dCas9) para apuntar a segmentos clave del genoma humano y desencadenar sintéticamente la transcripción de genes humanos. Al usar dCas9 para reclutar proteínas que pueden activar los genes de forma natural, el equipo de Rice pudo revelar detalles importantes sobre los promotores y potenciadores humanos, las piezas de nuestro ADN que coordinan cuándo y en qué medida se activan nuestros genes, que en a su vez controla los comportamientos de nuestras células.
Estamos utilizando estas herramientas de biología sintética para mejorar la capacidad de diseñar la expresión génica y programar células humanas y, en consecuencia, para comprender mejor cómo funcionan nuestros genes de forma natural. Estos tipos de estudios son importantes porque, a largo plazo, este conocimiento y estas capacidades técnicas pueden permitir mejores biotecnologías y terapias génicas y celulares". Isaac Hilton, bioingeniero de Rice Hilton dijo que el estudio en Nucleic Acids Research destaca el creciente potencial de las herramientas basadas en CRISPR-Cas9 para el control de genes sintéticos y la ingeniería celular.
La estrategia del equipo también demuestra el poder de dCas9 para influir y comprender los factores epigenéticos que animan al ser humano. genoma "Solo alrededor del 2% de nuestro genoma contiene genes que codifican proteínas, y el 98% restante es el llamado ADN no codificante", dijo Hilton. "Los potenciadores y promotores son partes clave de nuestros genomas no codificantes y, aunque la gran mayoría de estos elementos no forman genes convencionales, existe una fascinante variación genética en el ADN no codificante.
Esta variación nos brinda la magnífica diversidad que permite a nuestra especie ser asombroso y adaptable. "Sin embargo, la variación genética en el ADN no codificante también está fuertemente correlacionada con muchas enfermedades, e incluso las diferencias sutiles en estas regiones pueden vincularse con patologías", dijo. "Un desafío apremiante es que a menudo es muy difícil determinar cómo estas diferencias influyen en el inicio de la enfermedad y los tratamientos.
"Nuestro objetivo y nuestra esperanza es que las tecnologías y los enfoques como los nuestros puedan ayudar a los investigadores a acercarse a hacer esas conexiones importantes y, en última instancia, predecir e intervenir cuidadosamente en la enfermedad", dijo Hilton. Al activar sintéticamente el ADN no codificante, los investigadores demostraron cómo los promotores (secuencias cortas de ADN que marcan los sitios de inicio de los genes) y los potenciadores pueden comunicarse. Sorprendentemente, los potenciadores pueden estar a miles de pares de bases de distancia de sus promotores, pero pueden estimular la transcripción de genes reclutando proteínas activadoras y formando contactos físicos directos con los promotores asociados.
"Los potenciadores a veces también pueden producir transcripciones misteriosas llamadas ARN potenciadores (ARNe)", dijo Hilton. "Kai demostró que las tecnologías CRISPR se pueden usar para activar estos eRNA y que, en algunos casos, esto fomenta un tipo de seguimiento genómico, en el que se puede arrastrar un potenciador a lo largo del ADN para interactuar con los promotores posteriores. "También parece que, a lo largo del camino, se puede depositar información transcripcional y epigenética vital", dijo.
"Es emocionante especular que esta información podría servir como una especie de marcador de expresión génica que refuerza las rondas posteriores de transcripción en un tipo de retroalimentación epigenética positiva". Su estrategia reveló que los potenciadores y promotores pueden tener "reciprocidad intrínseca". Si bien sabían que las señales se pueden transmitir de un potenciador a un promotor, aprendieron que esta transmisión también puede ocurrir en sentido contrario.
"Vemos que la regulación se lleva a cabo desde un promotor hasta un potenciador aguas arriba", dijo Wang. "Mecánicamente, eso se considera no canónico y, por lo tanto, bastante sorprendente". También descubrieron que los activadores de CRISPR pueden aumentar la frecuencia de los contactos físicos entre los potenciadores y los promotores, pero solo cuando se dirigen a un potenciador, lo que sugiere una especie de calle de sentido único para aumentar los contactos físicos.
"Ahora sabemos que estas piezas de ADN pueden enviar mensajes en ambas direcciones, pero parece haber un aspecto significativo de direccionalidad para el contacto físico", dijo Hilton. "Ciertamente hay reciprocidad, pero parece que el modo regulatorio predominante aquí es aquel en el que un potenciador se dirige hacia un promotor o promotores correspondientes". Los investigadores dijeron que su estudio solo es posible gracias a los avances de CRISPR-Cas9.
"Sin estas herramientas de orientación genómica, tendríamos que usar otros métodos sintéticos más invasivos y disruptivos, como eliminar o modificar genéticamente un elemento regulador", dijo Wang. dijo. "Nuestros enfoques aquí hacen que sea más fácil secuestrar o reutilizar epigenéticamente los mecanismos celulares nativos para comprender y diseñar con precisión cómo se controlan los genes". Los coautores del artículo incluyen a los investigadores postdoctorales de Rice Jing Li y Barun Mahata, los estudiantes graduados Mario Escobar y Jacob Goell, y los estudiantes universitarios Spencer Shah y Madeleine Cluck.
Hilton es profesor asistente de bioingeniería y biociencias, y becario del CPRIT en Investigación sobre el cáncer. El Instituto de Investigación y Prevención del Cáncer de Texas (RR170030) y los Institutos Nacionales de Salud (R35GM143532) apoyaron la investigación.