Créditos: Imagem cortesia do laboratório Zhang.
A primeira enzima de corte de DNA guiada por RNA encontrada em eucariotos, Fanzor poderia um dia ser aproveitada para editar o DNA com mais precisão do que os sistemas CRISPR/Cas.
Uma equipe de pesquisadores liderada por Feng Zhang no McGovern Institute for Brain Research no MIT e no Broad Institute of MIT e Harvard descobriu o primeiro sistema programável guiado por RNA em eucariotos – organismos que incluem fungos, plantas e animais.
Em um estudo publicado hoje na Nature, a equipe descreve como o sistema é baseado em uma proteína chamada Fanzor. Eles mostraram que as proteínas Fanzor usam o RNA como um guia para direcionar o DNA com precisão e que os Fanzors podem ser reprogramados para editar o genoma das células humanas. Os sistemas Fanzor compactos têm o potencial de serem mais facilmente entregues a células e tecidos como terapêuticos do que os sistemas CRISPR-Cas, e outros refinamentos para melhorar sua eficiência de direcionamento podem torná-los uma nova tecnologia valiosa para a edição do genoma humano.
O CRISPR-Cas foi descoberto pela primeira vez em procariotos (bactérias e outros organismos unicelulares sem núcleo) e cientistas, incluindo os do laboratório de Zhang, há muito se perguntam se existem sistemas semelhantes em eucariotos. O novo estudo demonstra que os mecanismos de corte de DNA guiados por RNA estão presentes em todos os reinos da vida.
“Os sistemas baseados em CRISPR são amplamente usados e poderosos porque podem ser facilmente reprogramados para atingir diferentes locais do genoma”, diz Zhang, autor sênior do estudo, James e Patricia Poitras Professor de Neurociência nos departamentos de Engenharia Biológica e Engenharia do MIT. Brain and Cognitive Sciences, investigador do McGovern Institute do MIT, membro central do Broad Institute e investigador do Howard Hughes Medical Institute. “Este novo sistema é outra maneira de fazer mudanças precisas nas células humanas, complementando as ferramentas de edição do genoma que já temos”.
Procurando os domínios da vida
Um dos principais objetivos do laboratório de Zhang é desenvolver medicamentos genéticos usando sistemas que possam modular células humanas visando genes e processos específicos. “Alguns anos atrás, começamos a perguntar: ‘O que há além do CRISPR e existem outros sistemas programáveis de RNA na natureza?'”, diz Zhang.
Dois anos atrás, os membros do laboratório de Zhang descobriram uma classe de sistemas programáveis de RNA em procariotos chamados OMEGAs, que são frequentemente ligados a elementos transponíveis, ou “genes saltadores”, em genomas bacterianos e provavelmente deram origem aos sistemas CRISPR-Cas. Esse trabalho também destacou semelhanças entre sistemas OMEGA procarióticos e proteínas Fanzor em eucariotos, sugerindo que as enzimas Fanzor também podem usar um mecanismo guiado por RNA para direcionar e cortar o DNA.
No novo estudo, os pesquisadores continuaram seu trabalho em sistemas guiados por RNA, isolando Fanzors de fungos, algas e espécies de amebas, além de um molusco conhecido como quahog do norte. O co-primeiro autor Makoto Saito, do laboratório de Zhang, liderou a caracterização bioquímica das proteínas Fanzor, mostrando que são enzimas endonucleases de corte de DNA que usam RNAs não codificantes próximos, conhecidos como ωRNAs, para atingir locais específicos no genoma. É a primeira vez que esse mecanismo é encontrado em eucariotos, como os animais.
Ao contrário das proteínas CRISPR, as enzimas Fanzor são codificadas no genoma eucariótico dentro de elementos transponíveis, e a análise filogenética da equipe sugere que os genes Fanzor migraram de bactérias para eucariotos por meio da chamada transferência horizontal de genes.
“Esses sistemas OMEGA são mais ancestrais do CRISPR e estão entre as proteínas mais abundantes do planeta, então faz sentido que eles tenham sido capazes de alternar entre procariotos e eucariotos”, diz Saito.
Sem danos colaterais
Para explorar o potencial do Fanzor como uma ferramenta de edição do genoma, os pesquisadores demonstraram que ele pode gerar inserções e exclusões em locais de genoma direcionados dentro das células humanas. Os pesquisadores descobriram que o sistema Fanzor inicialmente era menos eficiente em cortar DNA do que os sistemas CRISPR-Cas, mas por engenharia sistemática, eles introduziram uma combinação de mutações na proteína que aumentou sua atividade em 10 vezes. Além disso, ao contrário de alguns sistemas CRISPR e da proteína OMEGA TnpB, a equipe descobriu que uma proteína Fanzor derivada de fungos não exibia “atividade colateral”, onde uma enzima guiada por RNA cliva seu alvo de DNA, bem como degrada DNA ou RNA próximo. Os resultados sugerem que os Fanzors poderiam ser desenvolvidos como editores de genoma eficientes.
O co-primeiro autor Peiyu Xu liderou um esforço para analisar a estrutura molecular do complexo Fanzor/ωRNA e ilustrar como ele se liga ao DNA para cortá-lo. Fanzor compartilha semelhanças estruturais com sua proteína procariótica CRISPR-Cas12, mas a interação entre o ωRNA e os domínios catalíticos de Fanzor é mais extensa, sugerindo que o ωRNA pode desempenhar um papel nas reações catalíticas. “Estamos entusiasmados com esses insights estruturais para nos ajudar a projetar e otimizar ainda mais o Fanzor para melhorar a eficiência e a precisão como editor de genoma”, disse Xu.
Como os sistemas baseados em CRISPR, o sistema Fanzor pode ser facilmente reprogramado para atingir locais específicos do genoma, e Zhang disse que um dia poderia ser desenvolvido em uma nova e poderosa tecnologia de edição de genoma para pesquisa e aplicações terapêuticas. A abundância de endonucleases guiadas por RNA, como Fanzors, expande ainda mais o número de sistemas OMEGA conhecidos nos reinos da vida e sugere que ainda há mais a serem descobertos.
“A natureza é incrível. Há muita diversidade”, diz Zhang. “Provavelmente existem mais sistemas programáveis de RNA por aí, e continuamos a explorar e esperamos descobrir mais.”
Publicado em 03/07/2023 14h29
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