Favorecer la reparación entre homólogos como estrategia para mejorar el rendimiento de la edición del genoma

Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts han identificado una estrategia que podría mejorar el rendimiento de las técnicas de edición del genoma. La aproximación consiste en añadir a los componentes del sistema de edición genómica una proteína que estimula la reparación del ADN con el cambio que se desea introducir.

Las técnicas de edición del genoma representan uno de los mayores avances en la biología molecular de los últimos años. Prueba de ello es el reciente Premio Nobel de Química, otorgado el año pasado a Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier por su contribución al desarrollo de un método para modificar el genoma.

Muchos de los sistemas de edición genómica dependen de la maquinaria de reparación del ADN de las células que se quiere modificar. Los componentes de estos sistemas están diseñados para reconocer de forma específica la secuencia de interés e introducir un corte en el ADN en la posición seleccionada. Si se incluye también una secuencia de ADN molde con el cambio deseado, la maquinaria de reparación de la célula puede utilizarlo para que el ADN quede editado como se deseaba.

Esta aproximación, sin embargo, tiene una limitación importante: su rendimiento para modificar el ADN no es elevado. Por una parte, cuando se administran sus componentes a un tejido o un cultivo celular, no todas las células son modificadas o adquieren el cambio de ADN que buscan los investigadores. Por otra, cuando introduce el cambio deseado, no siempre lo hace en las dos copias del cromosoma que están presentes en cada célula.

El equipo de investigadores del MIT dirigido por Guoping Feng ha descubierto una estrategia para mejorar el rendimiento de las técnicas de edición del genoma que y obtener un mayor número de células modificadas: añadir la proteína de reparación del ADN RAD51 a la mezcla de componentes. Esta proteína, que forma parte de los mecanismos de reparación del ADN, favorece que el cambio a introducir se produzca en las dos copias de un gen o cromosoma.

Un resultado inesperado que podría mejorar las técnicas de edición

Los investigadores buscaban una forma de mejorar la eficiencia de las aplicaciones terapéuticas y biotecnológicas de la edición del genoma, así como la obtención de modelos animales modelo de enfermedades.

RAD51 forma parte de la maquinaria proteica que participa en la reparación del ADN a través de un proceso denominado recombinación homóloga que utiliza la molécula de ADN no dañada del genoma para reparar la copia del ADN dañada. A partir de resultados de estudios previos, los investigadores se plantearon si incluir RAD51 en el coctel de componentes para editar el genoma podría facilitar que los mecanismos de reparación de la célula utilizaran el fragmento de ADN molde con el cambio de interés como patrón para reparar el corte introducido en el ADN.

El equipo de Feng ha evaluado el potencial de RAD51 a través de experimentos dirigidos a crear ratones modelo que tuvieran el gen Chd2, relacionado con el autismo, inactivado. Los investigadores inyectaron los componentes del sistema CRISPR necesarios para introducir un cambio e inactivar Chd2 junto con RAD51 en óvulos fecundados o embriones de una única célula. A continuación, analizaron con cuanta frecuencia se obtenían embriones modificados.

Los resultados obtenidos fueron inesperados. La presencia de RAD51 no aumentó el número total de embriones modificados. Sin embargo, dentro de los embriones que habían sido modificados había una mayor proporción de la esperada de embriones en los que la inactivación se había producido en las dos copias de Chd2.

A través de más experimentos, los investigadores encontraron que RAD51 promueve un mecanismo conocido como reparación entre homólogos que “convierte” a la copia no modificada en modificada. Hasta el momento había dudas de que este proceso se produjera en embriones tempranos, pero el estudio del equipo de Feng indica que sí ocurre y que RAD51 lo estimula.

“La edición de los dos cromosomas de forma simultánea normalmente es muy poco común”, señala Jonathan Wilde, investigador del equipo. “La elevada tasa de edición vista con RAD51 fue realmente impactante, y lo que empezó como un simple intento de conseguir ratones mutantes Chd2 se convirtió rápidamente en un proyecto mucho más grande enfocado en

Los resultados del trabajo ofrecen una potencial estrategia para acelerar la obtención de modelos animales a través de la generación de embriones tempranos en los que se modifiquen las dos copias del gen de interés.

Además, plantean numerosas preguntas sobre el proceso de reparación entre homólogos en los embriones tempranos. Por ejemplo, los investigadores sugieren que en sus primeras etapas los embriones podrían ser especialmente permisivos a este proceso. Estudios futuros deberán evaluar esta posibilidad, además de identificar si hay más de un mecanismo implicado y cuáles son los elementos moleculares que participan.

Por otra parte, el estudio abre una interesante vía de trabajo en el ámbito de las terapias dirigidas a corregir mutaciones responsables de enfermedades. En este contexto, donde se pretende modificar el ADN de las células de una persona para tratar una enfermedad concreta, podría utilizarse esta estrategia de edición genómica con recombinación entre homólogos para eliminar la copia dañada del gen y favorecer su sustitución, por mecanismos propios de la célula, por una copia de la versión “sana” del gen de las células del paciente.

“Estudios previos sobre reparación entre homólogos encontraron que es increíblemente ineficiente en la mayoría de las células”, indica Wilde. “Nuestro descubrimiento de que ocurre sin problemas en células embrionarias y puede ser intensificado a través de RAD51 sugiere que un conocimiento más profundo de lo que hace al embrión permisivo a este tipo de reparación del ADN podría ayudarnos a diseñar terapias génicas más seguras y eficientes”.

“Las terapias basadas en recombinación dirigida por homología todavía sufren de baja eficacia y tienen el riesgo de una integración no deseada del ADN donante en el genoma” señala Guoping Feng, profesor de Ciencia Cognitiva y del Cerebro en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y director del trabajo. “La recombinación entre homólogos tiene el potencial de evitar estos problemas porque está basada en las rutas celulares naturales y en el propio cromosoma normal del paciente para la corrección de la mutación deletérea”.

De momento, los investigadores han identificado otras proteínas relacionadas con los mecanismos de reparación del ADN que pueden estimular la recombinación entre homólogos, incluyendo algunas que también reducen el número de errores en el proceso de reparación del ADN.

Referencia: Wilde JJ, et al. Efficient embryonic homozygous gene conversion via RAD51-enhanced interhomolog repair. Cell. 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.035

Fuente: A new technique for correcting disease-causing mutations. https://news.mit.edu/2021/new-technique-correcting-disease-causing-mutations-0609