Un CRISPR que registra la memoria molecular en células humanas

Fran Garrigues, Genética Médica News

 

Bioingenieros del MIT han desarrollado una herramienta molecular que permite almacenar estímulos moleculares en forma de mutaciones dentro del genoma de células humanas. Imagen: National Institute of Health, EEUU.

Bioingenieros del MIT han desarrollado una herramienta molecular que permite almacenar estímulos moleculares en forma de mutaciones dentro del genoma de células humanas. Imagen: National Institute of Health, EEUU.

Bioingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desarrollado un dispositivo que permite almacenar estímulos moleculares en forma de mutaciones dentro del genoma de células humanas.

La herramienta, conocida como grabadora celular sintética para mamíferos integradora de eventos biológicos (mSCRIBE), permite recuperar “memorias” de los sucesos moleculares ocurridos en el pasado en una célula e incorporarlos en el ADN a modo de mutación. Esta aproximación se basa en el sistema de edición genómica CRISPR-Cas constituido por una enzima con actividad endonucleasa (Cas9) y un ARN guía que dirige el anterior dominio catalítico hacia la secuencia de ADN que se quiere editar.

En este caso, los investigadores diseñaron un ARN guía dirigido a sí mismo (stgARN) que funciona  como unidad de memoria molecular.  Dicho stgARN conduce a la endonucleasa Cas9 hacia la secuencia de ADN que codifica para sí mismo. De este modo,  la enzima corta el ADN y, tras la reparación natural del ADN por las enzimas pertinentes, las cuáles no siempre actúan con un 100% de fidelidad, puede introducirse alguna mutación, que se convertirá automáticamente en un recuerdo permanente del evento que se quería introducir. La secuencia  mutada genera una nueva hebra de ARN guía, que vuelve a dirigir a la nucleasa hacia la secuencia recientemente mutada, favoreciendo una mutagénesis dirigida repetida.

Los sucesos moleculares pueden ser registrados como mutaciones en el genoma celular, creando una memoria molecular que puede leerse mediante secuenciación. Imagen: Andrea Laurel (CC BY 2.0, https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/).

Los sucesos moleculares pueden ser registrados como mutaciones en el genoma celular, creando una memoria molecular que puede leerse mediante secuenciación. Imagen: Andrea Laurel (CC BY 2.0, https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/).

“Quisimos adaptar el sistema CRISPR para almacenar información en el genoma humano,”manifiesta Samuel  Perli, primer autor del artículo.

Los científicos demostraron cómo las unidades de memoria molecular encriptadas en las células humanas implantadas en ratones, eran capaces de registrar la respuesta a lipopolisacáridos (LPS) durante una inflamación aguda inducida a lo largo del tiempo.

Paralelamente, también observaron que mientras  Cas9 permaneciera activa o los stgARN continuaran expresándose, las mutaciones se iban acumulando, de forma progresiva, proporcionando una memoria genética codificada. Para corroborar esto, incorporaron en las células un ciclo genético que sólo expresara Cas9 en presencia de TNF-alfa, una proteína codificada en las células inmunes durante el proceso de inflamación. De este modo, siempre que TNF-alfa estuviera presente, Cas9, dirigida por el ARN guía, cortaba el ADN, generando las mutaciones en la secuencia codificante de stgARN. Así, cuanto mayor fuera la concentración de TNF-alfa, se determinó, mediante secuenciación, que mayor era el número de mutaciones que se incorporaban en la secuencia de ADN diana.

Perli señala: “Este es el sofisticado comportamiento analógico que estamos buscando, donde, a medida que aumenta la cantidad o duración de TNF-alfa, aumenta la cuantía de las mutaciones”.

Posteriormente, el equipo evalúo la duración e intensidad de la actividad de ARNs guías con secuencia determinante de la especificidad de diferente longitud (de20, 40 y 70 nucleótidos)  con el objetivo de determinar qué tamaño de esta secuencia era el más apropiado para poder registrar los eventos moleculares. De esta forma, se observó que las secuencias con 20 nucleótidos presentaban la longitud mínima para ser funcionales. En este caso las mutaciones acumuladas resultaban en la deleción de una parte de la secuencia, y por tanto no permanecían durante mucho tiempo. Para secuencias de mayor tamaño   las mutaciones acumuladas podían mantenerse durante más tiempo, (hasta un mes en el caso de las de 40 nucleótidos),  siendo las de 70 las que permitían registrar el evento durante un periodo de tiempo más largo.

En el estudio también se demostró la posibilidad de producir células capaces de detectar y registrar más de un estímulo. Con dicho objetivo, se diseñaron hebras de stgARN diferentes en la misma célula, cada una de ellas ligada a un estímulo en cuestión y que se expresaba en presencia del mismo. Concretamente, el equipo   llevó a cabo un ensayo para registrar tanto la presencia del antibiótico doxiciclina como de la molécula isopropil β-D-1-tiogalactopiranósido (IPTG).

“Con esta tecnología se podían tener diferentes registros de memoria grabando las exposiciones a diferentes señales  y se podía ver cuando era recibida por la célula cada una de esas señales y en qué intensidad” indica Perli.

El equipo manifiesta que esta tecnología ofrece una estrategia única para la investigación de la biología celular in vivo e in situ y que se puede orientar a otras aplicaciones que aprovechan la evolución continuada de específicas secuencias del ADN en las células de mamíferos.

Referencia: Perli SD, et al. Continuous genetic recording with self-targeting CRISPR-Cas in human cells. Science. 2016 Aug 18. Doi: 10.1126/science.aag0511

Fuente: Recording analog memories in human cells. http://news.mit.edu/2016/recording-analog-memories-human-cells-0818

 

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