Científicos españoles han logrado “resucitar” proteínas CRISPR-Cas ancestrales y han logrado utilizarlas como herramientas de edición genética. Os vamos a contar en qué consiste este trabajo, que ayer saltó a todos los medios de comunicación.

Lo primero, es el paper en sí, por si alguien lo quiere leer directamente. El trabajo ha sido publicado en Nature Microbiology. Se trata de un estudio en el que han participado distintas instituciones. Básicamente ha sido liderado por el grupo de Raúl Pérez-Jiménez, del CICnanoGUNE y han participado, entre otros, los grupos de Lluís Montoliu, del CNB-CSIC y Francis Mojica, de la Universidad de Alicante.

¿Quiénes son?

Para que os situéis un poco, os vamos a contar brevemente un poco sobre los principales autores. Pérez-Jiménez es el jefe del grupo de Nanobiomecánica del CICnanoGUNE. Ha trabajado en el estudio de reacciones enzimáticas a nivel de moléculas únicas y en técnicas de reconstrucción de secuencias ancestrales. Actualmente investiga sobre mecánica de proteínas relacionadas con enfermedades humanas, entre otras cosas.

A Francis Mojica seguro que muchos le conocéis. Los que seguís a Dciencia sabéis que hemos publicado muchos artículos sobre la tecnología CRISPR. Francis Mojica fue el descubridor de los sistemas CRISPR. Encontró una extrañas repeticiones en la secuencia de ADN de una arquea de las salinas de Santa Pola. Bautizó a esas repeticiones con el acrónimo CRISPR y fue el primero en plantear hipótesis sobre la función de estas secuencias. También fue el primero en proponer que los sistemas CRISPR eran elementos de una especie de sistema inmunitario de los procariotas, que utilizaban para defenderse del ataque de los virus bacteriófagos. También es el descubridor de las secuencias PAM, que son secuencias cortas que, simplificando mucho, actuaban como “seguro” para que el sistema CRISPR (recordemos que lo que hace es cortar ácidos nucleicos) no atacara a la propia bacteria o arquea. Son secuencias que no están en la bacteria, pero sí en el virus.

Lluís Montoliu investiga sobre enfermedades poco frecuentes, como el albinismo. Ha sido presidente del Comité de Ética del CSIC. Aparte de un científico brillante, es un conocido divulgador. Sumamente activo en redes (@LluisMontoliu en Twitter, por ejemplo), es escritor de libros de divulgación, como Genes de Colores y autor del blog GenÉtica, en el espacio Naukas.

Lluís Montoliu, Francis Mojica y Raúl Pérez-Jiménez, coautores del trabajo. Fotografía por Lluís Montoliu (https://montoliu.naukas.com/2023/01/02/resucitando-proteinas-crispr-cas-ancestrales-de-hace-millones-de-anos/ )

¿Qué han descubierto?

Aquí os lo vamos a contar, pero no dejéis de leer la explicación del propio Montoliu sobre el trabajo aquí.

Recordemos que CRISPR es una tecnología que se utiliza para editar genes de manera específica. En el clásico ejemplo, serían unas tijeras moleculares, que nos permiten recortar (y luego pegar) fragmentos de ADN. Obviamente esto ha abierto unas posibilidades maravillosas en la investigación y en la medicina. Pero hay muchos CRISPR distintos. Y muchos de ellos tienen ciertos problemas que limitan su utilidad, sobre todo como terapia en medicina. El caso es que los investigadores buscan continuamente la manera de solucionar estos problemas. Así, se están buscando nuevos sistemas CRISPR en bacterias y arqueas de todo el planeta, incluyendo sitios con climas extremos.

En este trabajo, en vez de buscar nuevos CRISPR en zonas extrañas de nuestro planeta, lo que han hecho ha sido un viaje en tiempo. Buscar CRISPR en organismos antiquísimos. Vale. Suena bien. Pero ¿de dónde sacan esos organismos?, ¿dónde han encontrado bacterias “antiguas”? El ADN más antiguo recuperado tiene unos dos millones de años. No está mal, pero recordemos que los procariotas más antiguos tienen 3.500 millones de años. Vamos, que hay un rango temporal amplio del que no tenemos ADN.

Aun así, en este trabajo han logrado resucitar CRISPR que pudieron existir hace ¡¡¡37, 137, 200, 1.000 y 2.600 millones de años!!!

¿Cómo lo han hecho?

Bueno, no vamos a entrar en la explicación técnica completa, que es algo complicada. Nos quedamos con que a partir de secuencias Cas (recordemos que Cas son las nucleasas de los sistemas CRISPR) de organismos actuales se ha puesto a un ordenador muy potente a trabajar. Ha aplicado un algoritmo de máxima verosimilitud que ha sido capaz de obtener secuencias ancestrales y calibrarlas frente a una línea temporal.

Esquema que ubica temporalmente a las cinco Cas (PDCA, PCA, SCA, BCA y FCA). Tomado del artículo del Dr. Montoliu (https://montoliu.naukas.com/2023/01/02/resucitando-proteinas-crispr-cas-ancestrales-de-hace-millones-de-anos/ )

Vale, ya tienen las secuencias. Lo siguiente es sintetizar las proteínas correspondientes, purificarlas y ver su actividad. Es decir, ver qué cortan y cómo lo hacen estas proteínas Cas.

¿Qué han encontrado en estas Cas ancestrales?

Para ver si las Cas ancestrales funcionaban, las probaron en el laboratorio y en células humanas. Lo primero que vieron era que las más antiguas cortaban ADN de cadena sencilla y ARN, mientras que las más modernas cortaban ADN de doble cadena. Si lo pensáis, esto tiene sentido, porque las primeras formas de vida basaban su información en moléculas de ARN (monocatenaria) y posteriormente de ADN de una sola cadena. Por lo tanto, no existía la necesidad de cortar doble hebra de ADN.

Lo segundo que determinaron los investigadores es la especificidad de corte, es decir, el sitio exacto donde cortaban. Así, vieron que las Cas ancestrales más “modernas” necesitan ayuda de la secuencia PAM (esa que las bacterias usan para diferenciar entre la secuencia del virus y la suya propia). Sin embargo, las más antiguas cortaban cualquier secuencia adyacente a la reconocida por el ARN guía del sistema CRISPR. Parece, por lo tanto, que la aparición de PAM fue un paso evolutivo más.

Predicción de las estructuras de las Cas ancestrales. Imagen del artículo original (fig4 extendida)

¿Para qué vale haber resucitado estas secuencias?

Los autores decidieron probar si estas Cas ancestrales podían ser útiles para hacer edición genética. Para probarlas, las dirigieron, con un ARN guía específico, contra los genes TYR y OCA2, que son genes cuyas mutaciones provocan formas de albinismo.

¿Podría una Cas de hace 1.000 millones de años funcionar en una célula humana y cortar específicamente un gen de esa células? Pues la respuesta es sí. La única que tuvo mucha menor actividad de edición de los genes fue la más antigua, la de hace 2.600 millones de años. Las más eficaces fueron las menos antiguas.

Además, hay que pensar que esta actividad de edición de genes de las Cas ancestrales es mejorable, porque se puede optimizar cambiando por ejemplo la molécula guía de ARN.

Conclusión

Aparte de lo que supone haber sido capaces de resucitar proteína muy muy antiguas, la importancia de este trabajo reside en haber encontrado un nuevo nicho en el que hallar nuevas Cas potencialmente útiles como herramientas de edición genética.

Trabajo original

Alonso-Lerma, B., Jabalera, Y., Samperio, S. et al. Evolution of CRISPR-associated endonucleases as inferred from resurrected proteins. Nat Microbiol (2023). https://doi.org/10.1038/s41564-022-01265-y