doi.org/10.1038/s41586-024-07552-4
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Cientistas do Arc Institute descobriram o mecanismo de ponte recombinase, uma ferramenta revolucionária que permite rearranjos de DNA totalmente programáveis
Cientistas do Arc Institute descobriram o mecanismo de ponte recombinase, uma ferramenta revolucionária que permite rearranjos de DNA totalmente programáveis.
A sua descoberta, detalhada numa publicação recente da Nature, é a primeira recombinase de DNA que utiliza um ARN não codificante para a seleção específica de sequência de moléculas de DNA alvo e doadoras.
Esta ponte de RNA é programável, permitindo ao usuário especificar qualquer sequência alvo genômica desejada e qualquer molécula de DNA doadora sendo inserida.
A pesquisa foi desenvolvida em colaboração com os laboratórios de Silvana Konermann, investigadora central do Arc Institute e professora assistente de bioquímica da Universidade de Stanford, e Hiroshi Nishimasu, professor de biologia estrutural da Universidade de Tóquio.
Visualização do mecanismo de recombinase da ponte destacando os loops de ligação do doador e do alvo.
Uma Nova Era de Programação Genética
“O sistema ponte de RNA é um mecanismo fundamentalmente novo para a programação biológica” disse o Dr. Patrick Hsu autor sênior do estudo e pesquisador principal do Arc Institute e Professor Assistente de Bioengenharia da Universidade da Califórnia, Berkeley.
“A recombinação de ponte pode modificar universalmente o material genético por meio de inserção, excisão, inversão específica de sequência e muito mais, permitindo um processador de texto para o genoma vivo além do CRISPR.” de inúmeros tipos de elementos transponíveis – ou genes saltadores – que se cortam e colam para se moverem dentro e entre os genomas microbianos.
Elementos transponíveis são encontrados em todas as formas de vida e evoluíram para máquinas profissionais de manipulação de DNA para sobreviver.
Os elementos IS110 são mínimos, consistindo apenas de um gene que codifica a enzima recombinase, além de segmentos de DNA flanqueadores que, até agora, permaneceram um mistério.
Visualização do mecanismo de recombinase da ponte destacando o DNA do transposon e o local do alvo genômico.
Mecanismo avançado de RNA ponte O laboratório Hsu descobriu que quando o IS110 se extirpa de um genoma, as extremidades não codificantes do DNA são unidas para produzir uma molécula de RNA – o RNA ponte – que se dobra em dois rotações.
Um loop se liga ao próprio elemento IS110, enquanto o outro loop se liga ao DNA alvo onde o elemento será inserido.
O RNA ponte é o primeiro exemplo de uma molécula guia biespecífica, especificando a sequência do DNA alvo e do doador por meio de interações de pareamento de bases.
Uma equipe de pesquisadores do Arc Institute descobriu o mecanismo de ponte recombinase, uma ferramenta precisa e poderosa para recombinar e reorganizar o DNA de forma programável.
Indo muito além de tesouras genéticas programáveis como CRISPR, o mecanismo de ponte recombinase permite aos cientistas especificar não apenas o DNA alvo sendo modificado, mas também o material do doador sendo reconhecido, para que possam inserir novo material genético funcional, cortar DNA defeituoso, ou inverter quaisquer duas sequências de interesse.
Descubra mais neste pequeno vídeo que visualiza os principais aspectos do mecanismo de recombinação de pontes.
Cada loop da ponte de RNA é programável de forma independente, permitindo aos pesquisadores misturar e combinar quaisquer sequências de DNA alvo e doador de interesse.
Isso significa que o sistema pode ir muito além de seu papel natural de inserir o próprio elemento IS110, permitindo, em vez disso, a inserção de qualquer carga genética desejável – como uma cópia funcional de um gene defeituoso causador de doença – em qualquer localização genômica.
Neste trabalho, a equipe demonstrou mais de 60% de eficiência de inserção de um gene desejado em E.coli com mais de 94% de especificidade para a localização genômica correta.
Esses RNAs ponte programáveis distinguem o IS110 de outras recombinases conhecidas, que não possuem um componente de RNA e não podem ser programadas, – disse o co-autor Nick Perry, estudante de pós-graduação em bioengenharia da UC Berkeley.
É como se a ponte RNA fosse um adaptador de energia universal que torna o IS110 compatível com qualquer tomada.
Pesquisa Colaborativa e Implicações Futuras
A descoberta do laboratório Hsu é complementada por sua colaboração com o laboratório do Dr. Hiroshi Nishimasu na Universidade de Tóquio, também publicada em 26 de junho na Nature.
O laboratório Nishimasu usou microscopia crioeletrônica para determinar as estruturas moleculares do complexo de RNA-ponte de recombinase ligado ao DNA alvo e doador, progredindo sequencialmente através das principais etapas do processo de recombinação.
Com mais exploração e desenvolvimento, o mecanismo de ponte promete inaugurar uma terceira geração de sistemas guiados por RNA, expandindo-se além dos mecanismos de corte de DNA e RNA de CRISPR e interferência de RNA (RNAi) para oferecer um mecanismo unificado para rearranjos programáveis de DNA.
Crítica para o desenvolvimento do sistema de recombinação de ponte para o design do genoma de mamíferos, a recombinase de ponte une ambas as cadeias de DNA sem liberar fragmentos de DNA cortados – contornando uma limitação importante das atuais tecnologias de edição de genoma de última geração.
O mecanismo de recombinação da ponte resolve alguns dos desafios mais fundamentais enfrentados por outros métodos de edição do genoma, – disse o co-líder da pesquisa Matthew Durrant, cientista sênior da Arc.
A capacidade de reorganizar programaticamente quaisquer duas moléculas de DNA abre a porta para avanços no design do genoma.
Publicado em 06/07/2024 02h21
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