Nova tecnologia CRISPR oferece controle incomparável de herança epigenética

Jason Alvarez – Pesquisa – 15 de abril de 2021

Os cientistas descobriram como modificar a arquitetura básica do CRISPR para estender seu alcance além do genoma e no que é conhecido como epigenoma – proteínas e pequenas moléculas que se prendem ao DNA e controlam quando e onde os genes são ligados ou desligados.

Em um artigo publicado em 9 de abril de 2021, na revista Cell, pesquisadores da UC San Francisco e do Whitehead Institute descrevem uma nova ferramenta baseada em CRISPR chamada “CRISPRoff”, que permite aos cientistas desligar quase qualquer gene em células humanas sem fazer uma edição única do código genético. Os pesquisadores também mostram que uma vez que um gene é desligado, ele permanece inerte nos descendentes da célula por centenas de gerações, a menos que seja ligado novamente com uma ferramenta complementar chamada CRISPRon, também descrita no artigo.

Como o epigenoma desempenha um papel central em muitas doenças, desde infecções virais até câncer, a tecnologia CRISPRoff pode um dia levar a terapias epigenéticas poderosas, e, uma vez que essa abordagem não envolve nenhuma edição de DNA, é provável que seja mais segura do que a terapêutica CRISPR convencional, que é conhecida por causar alterações indesejadas e potencialmente prejudiciais ao genoma.

“Embora as terapias genéticas e celulares sejam o futuro da medicina, existem potenciais preocupações de segurança em relação à mudança permanente do genoma, razão pela qual estamos tentando encontrar outras maneiras de usar o CRISPR para tratar doenças”, disse Luke Gilbert, PhD, professora da UCSF Helen Diller Family Comprehensive Cancer Center e co-autora sênior do novo artigo. 

Do Genoma ao Editor de Epigenoma

O CRISPR convencional é equipado com duas peças de hardware molecular que o tornam uma ferramenta eficaz de edição de genes. Um componente é uma enzima de corte de DNA, que dá ao CRISPR a capacidade de alterar as sequências de DNA. O outro é um dispositivo de localização que pode ser programado para zerar qualquer sequência de DNA de interesse, conferindo controle preciso sobre onde as edições são feitas.

Para construir o CRISPRoff, os pesquisadores dispensaram a função da enzima de corte de DNA convencional do CRISPR enquanto retinham o dispositivo de homing, criando um CRISPR despojado capaz de alvejar qualquer gene, mas não o editar. Em seguida, eles amarraram uma enzima a este CRISPR barebones. Mas, em vez de processar o DNA, essa enzima atua no epigenoma.

A nova ferramenta tem como alvo uma característica epigenética específica conhecida como metilação do DNA, que é uma das muitas partes moleculares do epigenoma. Quando o DNA é metilado, uma pequena etiqueta química conhecida como grupo metil é afixada ao DNA, silenciando os genes próximos. Embora a metilação do DNA ocorra naturalmente em todas as células de mamíferos, o CRISPRoff oferece aos cientistas um controle sem precedentes sobre esse processo. Outra ferramenta descrita no artigo, chamada CRISPRon, remove as marcas de metilação depositadas pelo CRISPRoff, tornando o processo totalmente reversível.

“Agora temos uma ferramenta simples que pode silenciar a grande maioria dos genes”, disse Jonathan Weissman, PhD, membro do Whitehead Institute, co-autor sênior do novo artigo e ex-membro do corpo docente da UCSF. “Podemos fazer isso para vários genes ao mesmo tempo, sem nenhum dano ao DNA e de uma forma que pode ser revertida. É uma ótima ferramenta para controlar a expressão gênica. ”

‘Grande surpresa’ altera um princípio básico

Com base no trabalho anterior de um grupo na Itália, os pesquisadores estavam confiantes de que o CRISPRoff seria capaz de silenciar genes específicos, mas suspeitavam que cerca de 30 por cento dos genes humanos não responderiam à nova ferramenta.

O DNA consiste em quatro letras genéticas – A, C, G, T – mas, em geral, apenas Cs próximo a Gs podem ser metilados. Para complicar as coisas, os cientistas sempre acreditaram que a metilação poderia apenas silenciar genes em locais no genoma onde as sequências de CG são altamente concentradas, regiões conhecidas como “ilhas CpG“.

Como quase um terço dos genes humanos carecem de ilhas CpG, os pesquisadores presumiram que a metilação não desligaria esses genes. Mas seus experimentos CRISPRoff derrubaram esse dogma epigenético.

“O que se pensava antes deste trabalho era que 30 por cento dos genes que não têm ilhas CpG não eram controlados pela metilação do DNA”, disse Gilbert. “Mas nosso trabalho mostra claramente que você não precisa de uma ilha CpG para desligar os genes por metilação. Isso, para mim, foi uma grande surpresa. ”

Aumentando o potencial terapêutico do CRISPRoff

Editores epigenéticos fáceis de usar, como o CRISPRoff, têm um enorme potencial terapêutico, em grande parte porque, como o genoma, o epigenoma pode ser herdado.  

Quando CRISPRoff silencia um gene, não apenas o gene permanece desligado na célula tratada, mas também permanece desligado nos descendentes da célula à medida que se divide, por até 450 gerações!

Para a surpresa dos pesquisadores, isso se manteve até mesmo em células-tronco em maturação, embora a transição de células-tronco para células adultas diferenciadas envolva uma reconfiguração significativa do epigenoma, as marcas de metilação depositadas por CRISPRoff foram fielmente herdadas em uma fração significativa de células que fizeram essa transição.

Essas descobertas sugerem que CRISPRoff só precisa ser administrado uma vez para ter efeitos terapêuticos duradouros, tornando-se uma abordagem promissora para o tratamento de doenças genéticas raras – incluindo a síndrome de Marfan, que afeta o tecido conjuntivo, a síndrome de Job, um distúrbio do sistema imunológico e certas formas de câncer – que são causados ​​pela atividade de uma única cópia danificada de um gene.

Os pesquisadores observaram que, embora o CRISPRoff seja excepcionalmente promissor, é necessário mais trabalho para realizar todo o seu potencial terapêutico. O tempo dirá se CRISPRoff e tecnologias semelhantes são de fato “o futuro da medicina“.

A University of California, San Francisco (UCSF) é exclusivamente focada nas ciências da saúde e se dedica a promover a saúde em todo o mundo por meio de pesquisa biomédica avançada, educação de pós-graduação em ciências da vida e profissões da saúde e excelência no atendimento ao paciente. A UCSF Health , que atua como o principal centro médico acadêmico da UCSF, inclui hospitais especializados e outros programas clínicos de primeira linha, e tem afiliações em toda a Bay Area.

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