Los investigadores crean un nuevo sistema para pruebas y desarrollo de Gene-Drive más seguros

Newswise – Los científicos continúan expandiendo las fronteras tecnológicas de CRISPR, junto con su enorme potencial, en áreas que van desde la salud humana hasta el suministro mundial de alimentos. Tal es el caso de los impulsores genéticos basados ​​en CRISPR, una herramienta de edición de genes diseñada para influir en cómo se transmiten los elementos genéticos de una generación a la siguiente.

Los impulsores genéticos diseñados para mosquitos tienen el potencial de detener la propagación de infecciones de malaria que causan cientos de miles de muertes cada año, pero se han planteado preocupaciones de seguridad ya que tales impulsores pueden propagarse tan rápidamente y abrumar a poblaciones enteras. Los científicos han explorado los principios que gobiernan la propagación de los elementos desencadenantes genéticos en las poblaciones objetivo, como los mosquitos, probando muchas combinaciones diferentes de componentes que forman el aparato desencadenante. Sin embargo, descubrieron que aún hay más por explorar y quedan preguntas clave.

en el diario Comunicaciones de la naturaleza, Investigadores de la Universidad de California en San Diego, dirigidos por el ex becario postdoctoral Gerard Terradas, junto con el becario postdoctoral Zhiqian Li y el profesor Ethan Bier, en estrecha colaboración con el estudiante graduado de UC Berkeley, Jared Bennett, y el profesor asociado John Marshall, describen el desarrollo de un nuevo sistema para probar y cultivar unidades genéticas en el laboratorio y convertirlas de manera segura en herramientas para posibles aplicaciones en el mundo real.

«Estos estudios permiten la reingeniería de los sistemas de impulso genético, al tiempo que brindan información importante sobre cómo evaluar y analizar las interacciones clave entre sus partes móviles más importantes», dijo Bier, miembro de la facultad de la Facultad de Ciencias Biológicas, Departamento de Células y Desarrollo. Biología.

Las unidades genéticas basadas en CRISPR cuentan con una proteína llamada endonucleasa Cas9 y una molécula guía de ARN que se unen para dirigir cadenas de ADN a ubicaciones específicas en el genoma donde se pueden insertar nuevos elementos genéticos. A medida que el ADN repara estos cortes, se copian nuevos elementos genéticos de un cromosoma a otro, lo que da como resultado una descendencia que supera la herencia estándar en un 50 a 50 por ciento, favoreciendo los elementos genéticos recién insertados.

Los impulsores genéticos vienen en dos «sabores». Las unidades genéticas completas (fGD) llevan el Cas9 y guían los componentes de ARN en un paquete unitario vinculado. En contraste, unidades divididas (sGD) consisten en dos elementos genéticos que transportan por separado Cas9 y orientan componentes de ARN y se insertan en diferentes lugares del genoma. Los sGD se consideran más seguros que los fGD, ya que es posible controlar y probar los componentes portados por cada uno de los elementos por separado o en condiciones en las que amplifican gradualmente la frecuencia del componente gRNA. Los investigadores diseñaron los dos elementos para que finalmente se vuelvan a conectar a fin de proporcionar los efectos de un impulso genético completo.

En el caso de la erradicación de la malaria, los genes completos han generado un gran entusiasmo debido a su potencial como vehículos para transferir elementos que interrumpen la transmisión de los parásitos de la malaria que causan la infección. Pero los fGD también han generado preocupaciones debido a su potencial para propagarse rápidamente y potencialmente alterar la composición genética de poblaciones enteras de mosquitos. La experimentación con fGD requiere barreras y restricciones de alta seguridad para evitar el escape involuntario de insectos que transportan tales impulsos al entorno abierto.

Este no es el caso de las unidades de genes divididos. Debido a que los elementos clave están separados, los sGD presentan un riesgo mucho menor de diseminación involuntaria y los investigadores tienen mucho más control sobre su manejo seguro. Los experimentos con sGD se pueden realizar en laboratorios tradicionales, lo que permite mucha más flexibilidad para probar su potencial.

Sin embargo, los científicos se han enfrentado al desafío de desarrollar sistemas que conviertan efectivamente los sGD en fGD completamente funcionales. Un desafío que enfrenta la conversión actual de los sistemas sGD a fGD es que se basan en dos componentes genéticos separados, cada uno de los cuales debe manifestar propiedades de activación eficientes.

Ahora, los científicos de UC San Diego, que recientemente han sido pioneros en el desarrollo de genes y tecnologías relacionadas, han creado un sistema de piratería genética flexible para convertir sGD en fGD. Trabajando en moscas de la fruta, los investigadores desarrollaron una nueva estrategia genética que emplea un ARN guía especialmente diseñado transportado por la parte Cas9 del sGD. Esta herramienta de piratería elimina el componente de copia del sGD y activa un interruptor genético, o «evento de recombinación», que inserta Cas9 en el elemento que lleva el ARN guía, lo que da como resultado la creación de un fGD completamente funcional.

«En primer lugar, y lo más importante, el estudio proporciona una prueba de principio para la conversión genética ágil de un sGD a un fGD, lo que debería ser de gran ayuda en la prueba y el desarrollo de nuevos sistemas optimizados de impulso genético», dijo el primer autor Terradas, quien ahora tiene su sede en la Universidad de Penn State.

Después de que los investigadores desarrollaran su nuevo sistema de pirateo de sGD a fGD, comenzaron a surgir algunos resultados sorprendentes. El fGD recién pirateado se propagó a través de poblaciones de moscas en experimentos con jaulas, como se esperaba. Sin embargo, la velocidad a la que se propaga fue inesperadamente más lenta que los modelos previstos para un fGD tradicional.

Los colaboradores de investigación Bennett y Marshall desarrollaron un modelo matemático que proporcionó una explicación. Su modelo reveló que, durante la conversión de pirateo, los fGD imponen un costo de aptitud más alto en moscas individuales que los sGD solos. Este costo de adecuación, que se desarrolla cuando el elemento desencadenante se copia a sí mismo, desaparece después de actuar sobre todos los cromosomas diana potenciales de la población.

«El estudio revela complejidades inesperadas en la forma en que los componentes genéticos funcionan juntos, lo que revela que uno no puede simplemente suponer cómo los componentes separados podrían interactuar cuando se unen», dijo Bennett.

Él Comunicaciones de la naturaleza Lista completa de autores del artículo: Gerard Terradas, Jared Bennett, Zhiqian Li, John Marshall y Ethan Bier.

La investigación fue apoyada por: Un premio Paul G. Allen Frontiers Group Distinguished Investigators Award, National Institutes of Health (subvención R01GM117321), un obsequio de Tata Trusts en India al Tata Institute of Genetics and Society – UC San Diego, y un DARPA Subvención del programa Safe Genes (HR0011-17-2-0047).

Divulgación de intereses en competencia: Bier tiene intereses de capital en dos empresas que cofundó: Synbal Inc. y Agragene, Inc., que podrían beneficiarse potencialmente de los resultados de la investigación. También es miembro de la junta directiva de Synbal y de la junta asesora científica de ambas empresas.