La capacidad de editar el genoma mediante la alteración de la secuencia de ADN dentro de una célula viva es poderosa para la investigación y muy prometedora para el tratamiento de enfermedades. Sin embargo, las actuales tecnologías de edición del genoma suelen dar lugar a mutaciones no deseadas o pueden no introducir ningún cambio. Estos problemas han impedido que este campo alcance todo su potencial.
Ahora, una nueva investigación del laboratorio de la investigadora de la Universidad de Princeton Britt Adamson, realizada con colaboradores del laboratorio de Jonathan Weissman, miembro del Instituto Whitehead y profesor de biología del Instituto Tecnológico de Massachussetts e investigador del Instituto Médico Howard Hughes, y Cecilia Cotta-Ramusino, detalla un método novedoso llamado 'Repair-seq' que revela con exquisito detalle cómo funcionan las herramientas de edición del genoma.
"Hace tiempo que sabemos que los mecanismos que intervienen en la reparación del ADN roto son esenciales para la edición del genoma, porque para cambiar la secuencia del ADN primero hay que romperlo - afirma Britt Adamson, autor principal del estudio y profesor adjunto del Departamento de Biología Molecular de Princeton y del Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa -. Pero esos procesos son increíblemente complejos y, por tanto, a menudo difíciles de desentrañar".
Para reparar el ADN, las células utilizan muchos mecanismos diferentes, cada uno de los cuales implica conjuntos de genes que trabajan juntos en vías distintas. 'Repair-seq' permite a los investigadores sondear la contribución de estas vías a la reparación de lesiones específicas del ADN, perfilando simultáneamente cómo cientos de genes individuales afectan a las mutaciones producidas en los lugares dañados.
"La edición con roturas de doble cadena ha sido el pan de cada día de la edición del genoma durante mucho tiempo, pero hacer los cambios deseados sin mutaciones no deseadas ha sido un enorme desafío"
De este modo, los investigadores pueden generar modelos mecánicos de la reparación del ADN y aprender cómo esos mecanismos afectan a la edición del genoma.
Adamson y sus colegas aplicaron su método a uno de los enfoques de edición del genoma más utilizados, el CRISPR-Cas9, que emplea la nucleasa bacteriana Cas9 para cortar ambas hebras de la molécula de ADN de doble cadena, creando lesiones llamadas roturas de doble cadena.
"La edición con roturas de doble cadena ha sido el pan de cada día de la edición del genoma durante mucho tiempo, pero hacer los cambios deseados sin mutaciones no deseadas ha sido un enorme desafío - reconoce el primer autor del estudio, Jeffrey Hussmann, que realizó el trabajo mientras era investigador postdoctoral en el laboratorio de Jonathan Weissman -. Nos propusimos entender los mecanismos que hay detrás de tantas mutaciones inducidas como fuera posible, razonando que esto podría ayudarnos a optimizar el sistema".
Los experimentos de 'Repair-seq' generan una enorme cantidad de datos. El análisis de esos datos, dirigido por Hussmann, produjo un mapa de cómo las diferentes vías de reparación del ADN están vinculadas a determinados tipos de mutaciones inducidas por Cas9.
Descubrieron que la capacidad de obtener las ediciones previstas con la edición primaria se veía afectada por las proteínas de la vía de reparación de los desajustes del ADN
Sobre la base de una rica historia de investigación en este campo, el análisis de Hussmann iluminó vías que ya se conocían e identificó otras nuevas, que en conjunto ponen de manifiesto la enorme complejidad y la miríada de sistemas que intervienen en la reparación de las roturas de la doble cadena. El profundo conjunto de datos desenterrados en este trabajo se publica ahora en un portal en línea que otros pueden utilizar para interrogar a los genes y las vías de reparación del ADN.
Por otra parte, un equipo dirigido por David Liu en el Instituto Broad del MIT y Harvard ha desarrollado un sistema de edición del genoma denominado "edición primaria" que no depende de la creación de roturas de doble cadena.
La eficacia de la edición primaria varía mucho según el tipo de célula y el lugar de destino, pero los investigadores sospechaban que la identificación de las vías de reparación del ADN implicadas podría ayudar a identificar vías de mejora. Con esto en mente, Adamson y Hussmann unieron fuerzas con Liu y sus colegas para investigar la edición primaria utilizando 'Repair-seq'.
Los investigadores que colaboraron descubrieron que la capacidad de obtener las ediciones previstas con la edición primaria se veía afectada por las proteínas de la vía de reparación de los desajustes del ADN. A continuación, demostraron que la inhibición o la evasión de esa vía mejoraba drásticamente la eficacia y la precisión de los resultados de la edición primaria, lo que la convierte en una tecnología de edición del genoma de aplicación más amplia.
El equipo seguirá mejorando la plataforma y aplicándola a otras tecnologías de edición del genoma
"Trabajar con Britt, Jonathan y sus laboratorios ha sido una hermosa integración de la ciencia básica, la aplicación de herramientas y el desarrollo de tecnología, un verdadero testimonio del poder de la colaboración multidisciplinaria", dijo Liu.
Este trabajo también demuestra cómo 'Repair-seq' puede utilizarse para mejorar otras tecnologías de edición del genoma. De hecho, los investigadores que colaboran ya lo han aplicado a un tercer sistema de edición del genoma, que también fue desarrollado por científicos que trabajan bajo la dirección de Liu. Los resultados de ese estudio se han publicado recientemente en la revista Nature Biotechnology.
En el futuro, el equipo seguirá mejorando la plataforma y aplicándola a otras tecnologías de edición del genoma. "Vemos a 'Repair-seq' como una herramienta que permite obtener una imagen detallada de lo que los editores del genoma están haciendo dentro de las células y luego evaluar muy rápidamente: "¿Es este un paisaje en el que puedo encontrar principios de diseño que ayuden a mejorar la herramienta? - subraya Adamson -. Estamos muy ilusionados por explorar futuras aplicaciones".