Mediante un sistema de edición genética desarrollado originalmente para eliminar genes específicos, investigadores del MIT han demostrado ahora que pueden activar de forma fiable cualquier gen que elijan en células vivas.
Esta nueva aplicación del sistema de edición genética CRISPR/Cas9 debería permitir a los científicos determinar con mayor facilidad la función de genes individuales, según Feng Zhang, profesor W. M. Keck de Desarrollo Profesional en Ingeniería Biomédica en los departamentos de Ciencias Cognitivas y del Cerebro e Ingeniería Biológica del MIT, y miembro del Broad Institute y del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT.
Este enfoque también permite realizar rápidamente análisis funcionales de todo el genoma, lo que permite a los científicos identificar genes implicados en enfermedades concretas. En un estudio publicado en la edición en línea de Nature del 10 de diciembre, Zhang y sus colegas identificaron varios genes que ayudan a las células de melanoma a volverse resistentes a un fármaco contra el cáncer.
Silvana Konermann, estudiante de posgrado en el laboratorio de Zhang, y Mark Brigham, investigador posdoctoral del Instituto McGovern, son los autores principales del artículo.
Una nueva función para CRISPR
El sistema CRISPR se basa en mecanismos celulares que las bacterias utilizan para defenderse de las infecciones virales. Los investigadores ya han aprovechado este sistema celular para crear complejos de edición genética que incluyen una enzima que corta el ADN, llamada Cas9, unida a una cadena guía corta de ARN programada para unirse a una secuencia específica del genoma e indicar a Cas9 dónde realizar el corte.
En los últimos dos años, los científicos han desarrollado Cas9 como herramienta para desactivar genes o reemplazarlos por una versión diferente. En el nuevo estudio, Zhang y sus colegas modificaron el sistema Cas9 para activar genes, en lugar de eliminarlos.
Los científicos ya habían intentado hacerlo con proteínas diseñadas individualmente para dirigirse al ADN en lugares específicos. Sin embargo, es difícil trabajar con estas proteínas. «Si se utilizan las herramientas de la generación anterior, conseguir que la tecnología haga lo que uno realmente quiere es un proyecto en sí mismo», dice Konermann. «Lleva mucho tiempo y también es bastante caro».
También se ha intentado utilizar CRISPR para activar genes inactivando la parte de la enzima Cas9 que corta el ADN y vinculando Cas9 a fragmentos de proteínas llamados dominios de activación. Estos dominios atraen la maquinaria celular necesaria para iniciar la lectura y copia del ARN a partir del ADN, un proceso conocido como transcripción.
Sin embargo, estos esfuerzos no han logrado activar la transcripción génica de forma sistemática. Zhang y sus colegas, Osamu Nureki y Hiroshi Nishimasu, de la Universidad de Tokio, decidieron rediseñar el sistema CRISPR-Cas9 basándose en un análisis que publicaron a principios de este año sobre la estructura que se forma cuando Cas9 se une al ARN guía y al ADN diana. «Al conocer su forma tridimensional, podemos pensar en cómo mejorar el sistema de manera racional», afirma Zhang.
En intentos anteriores, los científicos habían tratado de unir los dominios de activación a uno u otro extremo de la proteína Cas9, con un éxito limitado. A partir de sus estudios estructurales, el equipo del MIT comprendió que dos pequeños bucles del ARN guía sobresalen del complejo Cas9 y podrían ser mejores puntos de unión, porque permiten que los dominios de activación tengan más flexibilidad para atraer la maquinaria de transcripción.
Con su sistema renovado, los investigadores activaron alrededor de una docena de genes que habían resultado difíciles o imposibles de activar con la generación anterior de activadores Cas9. Cada gen mostró un aumento de al menos el doble en la transcripción y, en muchos genes, los investigadores observaron un incremento de varios órdenes de magnitud en la activación.
Cribado de activación a escala genómica
Una vez demostrado que el sistema era eficaz para activar genes, los investigadores crearon una biblioteca de 70.290 ARN guía dirigidos a todos los más de 20.000 genes del genoma humano.
Analizaron esta biblioteca para identificar genes que confieren resistencia a un fármaco contra el melanoma llamado PLX-4720. Los fármacos de este tipo funcionan bien en pacientes cuyas células de melanoma tienen una mutación en el gen BRAF, pero las células cancerosas que sobreviven al tratamiento pueden crecer y formar nuevos tumores, lo que permite que el cáncer reaparezca.
Para descubrir los genes que ayudan a las células a volverse resistentes, los investigadores introdujeron componentes CRISPR en una gran población de células de melanoma cultivadas en el laboratorio; cada célula recibió un ARN guía diferente dirigido a un gen distinto. Tras tratar las células con PLX-4720, identificaron varios genes que ayudaban a las células a sobrevivir: algunos ya se sabía que estaban implicados en la resistencia a los fármacos, además de varios nuevos objetivos.
Estudios como este podrían ayudar a los investigadores a descubrir nuevos fármacos contra el cáncer que impidan que los tumores se vuelvan resistentes.
«Se podría empezar con un fármaco dirigido al BRAF mutado, junto con una terapia combinada dirigida a los genes que permiten que la célula sobreviva. Si se atacan ambos al mismo tiempo, probablemente se podría impedir que las células desarrollaran mecanismos de resistencia que les permitieran seguir creciendo pese al tratamiento farmacológico», afirma Konermann.
Los científicos han intentado realizar cribados a gran escala como este introduciendo genes individuales transportados por virus, pero eso no funciona con todos los genes.
«Esta nueva técnica podría permitir analizar un espectro más amplio de genes que quizá desempeñen un papel», afirma Levi Garraway, profesor asociado de Medicina en el Dana-Farber Cancer Institute, quien no participó en la investigación. «Este es realmente un artículo sobre el desarrollo de una tecnología, pero los resultados tan sugerentes del cribado de resistencia a los fármacos apuntan a las ricas posibilidades biológicas de este enfoque».
El laboratorio de Zhang también tiene previsto utilizar esta técnica para buscar genes cuya activación pudiera corregir los efectos del autismo o de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer. También planea poner a disposición de los laboratorios académicos que quieran utilizarlos los reactivos necesarios, a través del repositorio Addgene.
La investigación recibió financiación del National Institute of Mental Health; el National Institute of Neurological Disorders and Stroke; las fundaciones Keck, Searle Scholars, Klingenstein, Vallee y Simons; y Bob Metcalfe.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Anne Trafton colabora con MIT News.
Imagen: Material genético humano almacenado en un laboratorio de Múnich el 23 de mayo de 2011. REUTERS/Michael Dalder.