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O CRISPR-Cas é amplamente usado em pesquisa e medicina para editar, inserir, excluir ou regular genes em organismos. O TnpB é um ancestral dessa conhecida “tesoura genética”, mas é muito menor e, portanto, mais fácil de transportar para dentro das células. Usando engenharia de proteínas e algoritmos de IA, os pesquisadores da UZH agora aprimoraram as capacidades do TnpB para tornar a edição de DNA mais eficiente e versátil, abrindo caminho para o tratamento de um defeito genético para colesterol alto no futuro.
Os sistemas CRISPR-Cas, que consistem em componentes de proteína e RNA, foram originalmente desenvolvidos como um mecanismo de defesa natural de bactérias para afastar vírus invasores. Na última década, a reengenharia dessas chamadas “tesouras genéticas” revolucionou a engenharia genética na ciência e na medicina. As ferramentas podem ser programadas para encontrar um local específico em nosso DNA e editar as informações genéticas de maneira precisa. Por exemplo, uma mutação causadora de doença no DNA pode ser revertida para seu estado saudável.
Ferramenta de edição de genoma muito menor
Foi descoberto recentemente que as proteínas Cas evoluíram de proteínas muito menores, com TnpB sendo o progenitor de Cas12. Como o grande tamanho das proteínas Cas cria desafios ao tentar entregá-las às células certas no corpo, estudos recentes tentaram usar seus progenitores evolutivos menores como uma ferramenta de edição de genoma. O problema com essas alternativas pequenas é que elas funcionam de forma menos eficiente. Esse obstáculo agora foi enfrentado por uma equipe de pesquisa liderada por Gerald Schwank do Instituto de Farmacologia e Toxicologia da Universidade de Zurique (UZH) junto com colegas da ETH Zurich. “Ao projetar a pequena, mas poderosa proteína TnpB, fomos capazes de projetar uma variante que mostra um aumento de 4,4 vezes na eficiência de modificação de DNA — tornando-a mais eficaz como uma ferramenta de edição de genes”, diz Schwank.
As proteínas TnpB são encontradas em uma variedade de bactérias e arqueas. O TnpB estudado pelos pesquisadores vem da bactéria Deinococcus radiodurans. Este micróbio sobrevive ao frio, à desidratação, ao vácuo e ao ácido, e é um dos organismos mais resistentes à radiação conhecidos pelos humanos. A proteína compacta TnpB já demonstrou funcionar para edição de genoma em células humanas, embora com baixa eficiência e capacidade de direcionamento limitada devido aos seus requisitos de reconhecimento ao se ligar ao DNA.
Melhor capacidade de ligação e maior alcance de sequências alvo de DNA
Portanto, os pesquisadores otimizaram o TnpB para que ele editasse o DNA de células de mamíferos de forma mais eficiente do que a proteína original. “O truque foi modificar a ferramenta de duas maneiras: primeiro, para que ela vá mais eficientemente para o núcleo onde o DNA genômico está localizado, e segundo, para que ela também tenha como alvo sequências alternativas de genoma”, diz Kim Marquart, estudante de doutorado no laboratório de Gerald Schwank e primeiro autor do estudo.
Para identificar quais características nas sequências de DNA dos locais-alvo determinam a eficiência da edição do genoma, os pesquisadores testaram o TnpB em 10.211 locais-alvo diferentes. Em colaboração com a equipe de Michael Krauthammer, também professor da UZH, eles desenvolveram um novo modelo de inteligência artificial capaz de prever eficiências de edição do TnpB em qualquer local-alvo. “Nosso modelo pode prever o quão bem o TnpB funcionará em diferentes cenários, tornando mais fácil e rápido projetar experimentos de edição genética bem-sucedidos. Usando essas previsões, alcançamos até 75,3% de eficiência em fígados de camundongos e 65,9% em cérebros de camundongos”, acrescenta Marquart.
Terapia de edição genética de defeito genético para colesterol alto
“Para os experimentos com animais, fomos capazes de usar vetores virais Adeno-associados clinicamente viáveis para transportar eficientemente as ferramentas para células de camundongos. Devido ao seu pequeno tamanho, o sistema de edição de genes TnpB pode ser empacotado em uma única partícula de vírus”, diz Marquart. Em contraste, os componentes CRISPR-Cas9 precisam ser empacotados em múltiplas partículas de vírus, o que significa que doses maiores de vetores precisam ser aplicadas.
No projeto atual, os pesquisadores estudaram se a ferramenta TnpB poderia ser empregada para tratar pacientes com hipercolesterolemia familiar. Essa doença genética leva a um colesterol alto gravemente elevado ao longo da vida, afetando aproximadamente 31 milhões de pessoas globalmente. A doença aumenta o risco de doença cardiovascular aterosclerótica de início precoce. “Conseguimos editar um gene que regula os níveis de colesterol, reduzindo assim o colesterol em camundongos tratados em quase 80%. O objetivo é desenvolver estratégias de edição genética semelhantes em humanos para tratar pacientes que sofrem de hipercolesterolemia”, diz Gerald Schwank.
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