Un equipo de científicos de la UC San Francisco y los Institutos Nacionales de Salud han logrado otro CRISPR primero, uno que puede alterar fundamentalmente la forma en que los científicos estudian las enfermedades cerebrales.
En un artículo publicado el 15 de agosto en la revista neurona , los investigadores describen una técnica que utiliza una versión especial de CRISPR desarrollada en UCSF para alterar sistemáticamente la actividad de los genes en las neuronas humanas generadas a partir de células madre, la primera fusión exitosa de tipos de células derivadas de células madre y tecnologías de detección CRISPR.
Aunque se sabe que las mutaciones y otras variantes genéticas están asociadas con un mayor riesgo de muchas enfermedades neurológicas, los cuellos de botella tecnológicos han frustrado los esfuerzos de los científicos que trabajan para comprender exactamente cómo estos genes causan enfermedades.
"Antes de este estudio, había limitaciones significativas que restringían lo que los científicos podían hacer con las neuronas humanas en el laboratorio", dijo Martin Kampmann, PhD, profesor asociado en el Instituto de Enfermedades Neurodegenerativas de la UCSF, investigador de CZ Biohub, y co-seniorautor del nuevo estudio.
Por un lado, hasta hace poco, no había forma de que los científicos obtuvieran de manera confiable células cerebrales humanas que pudieran usarse en experimentos de laboratorio avanzados, explicó Kampmann, también miembro del Instituto de Neurociencias Weill de la UCSF. "Era posibleobtener neuronas donadas por pacientes que se sometieron a procedimientos que implican la extracción de tejido cerebral para tratar la epilepsia o el cáncer cerebral. Pero estas muestras solo pueden sobrevivir durante unos días. No se pueden realizar experimentos para sondear la función genética en neuronas de corta vida ".
En cambio, los científicos generalmente han confiado en modelos animales de enfermedades cerebrales, que pueden fallar en capturar muchos matices de la neurobiología humana.
Un gran avance se produjo en 2006 cuando Shinya Yamanaka, MD, PhD, de la Universidad de Kyoto y los Institutos Gladstone afiliados a la UCSF, descubrieron una forma de rebobinar el reloj del desarrollo y convertir las células adultas en células madre que podrían, con cierta persuasión, transformarseen cualquier tipo de célula que se encuentra en el cuerpo, incluidas las neuronas. Estas "células madre pluripotentes inducidas" iPSC hicieron que las células cerebrales humanas estuvieran ampliamente disponibles para la investigación de laboratorio.
Cuando el sistema CRISPR de edición de genes llegó seis años después, los científicos pensaron que finalmente tenían todas las herramientas que necesitarían para manipular genes en las neuronas humanas y determinar cómo contribuyen a la enfermedad neurológica.
Pero los científicos descubrieron rápidamente que la maquinaria de corte de ADN del sistema CRISPR, una enzima conocida como Cas9, no se mezclaba bien con los iPSC ". Las células madre tienen una respuesta de daño en el ADN muy activa. Cuando Cas9 produce incluso uno o dosEl ADN se corta, puede conducir a una toxicidad que hace que las células mueran ", dijo Kampmann.
Así que Kampmann decidió abordar el problema de la toxicidad. Como postdoctorado en el laboratorio del profesor Jonathan Weissman, PhD, UCSF, Kampmann co-inventó una herramienta conocida como CRISPRi para "interferencia", una forma modificada de tecnología CRISPR en la que elLa enzima Cas9 se ha desactivado. Cuando CRISPRi encuentra el gen que está buscando, suprime su actividad sin hacer ningún corte. Como resultado, a diferencia del CRISPR-Cas9 estándar, predijo Kampmann, CRISPRi no debería ser tóxico para iPSCs o neuronas derivadas de células madre.
En el nuevo documento, Kampmann y sus colaboradores describen cómo adaptaron CRISPRi para su uso en iPSC humanas y neuronas derivadas de iPSC, y descubrieron que podía atacar e interferir con genes sin matar la célula, una hazaña que durante mucho tiempo había eludido a los científicos.
Usando este sistema, los investigadores demostraron cómo su técnica puede usarse para encontrar genes que pueden causar o contribuir a enfermedades cerebrales. Por ejemplo, identificaron genes que extienden específicamente la vida útil de las neuronas, pero que no tienen un efecto comparable en los iPSC o el cáncerTambién encontraron genes que aumentaron el número de neuritas proyecciones que crecen de las neuronas y transmiten señales nerviosas y determinaron con qué frecuencia se ramificaban.
Pero uno de los hallazgos más sorprendentes fue el descubrimiento de que los genes de "mantenimiento", conocidos por ser esenciales para la supervivencia, pero que se cree que realizan la misma función en todas las células, en realidad se comportan de manera diferente en las neuronas y las células madre. Cuando los investigadoresinterferido con los mismos genes de limpieza en estos dos tipos de células, las células respondieron activando o inactivando un conjunto de genes muy diferente. Este resultado sugiere que, contrariamente a la sabiduría recibida, los genes de limpieza pueden no funcionar de la misma manera en diferentes tipos de células, una idea que Kampmann y su laboratorio están ansiosos por explorar más a fondo, ya que estas diferencias pueden jugar un papel importante en la enfermedad.
Kampmann ahora está utilizando la tecnología para estudiar diferentes tipos de neuronas en un esfuerzo por determinar por qué ciertas enfermedades afectan selectivamente solo un subconjunto de neuronas, como la forma en que las neuronas motoras se dañan selectivamente en la ELA. También está ampliando sus investigaciones sobre otros tiposde las células cerebrales, incluidas las células conocidas como astrocitos y microglia, que los científicos descubrieron recientemente cómo producir a partir de iPSC humanas.
Pero en última instancia, el objetivo es convertir esta tecnología que combina CRISPRi e iPSCs en una herramienta que descubre nuevos enfoques terapéuticos muy necesarios para tratar enfermedades cerebrales.
"Uno de los grandes desafíos que enfrenta el campo es que, para la mayoría de estos trastornos, las vías moleculares precisas a las que debemos dirigirnos para el desarrollo de fármacos siguen sin estar claras", dijo Michael Ward, MD, PhD, coautor principal del nuevoestudio y médico-científico de los Institutos Nacionales de Salud.
"Con esta tecnología, podemos tomar células de la piel o de la sangre de un paciente con una enfermedad neurodegenerativa como el Alzheimer, convertirlas en neuronas u otras células cerebrales y determinar qué genes controlan los defectos celulares asociados con la enfermedad", dijo Kampmann"La información puede permitirnos identificar objetivos terapéuticos efectivos"
Financiamiento: El estudio fue apoyado por el Programa de Investigación Intramural de los NIH / NINDS, un Premio al Nuevo Innovador del Director NIH NIH / NIGMS DP2 GM119139, subvenciones NIH / NIA R01 AG062359 y R56 AG057528, el Centro NINDS Tau SinWalls NIH / NINDS U54 NS100717, un Premio al Investigador Distinguido Allen de la Fundación de la Familia Paul G. Allen, un Premio al Investigador del Biohub Chan-Zuckerberg y un Premio al Investigador del Consorcio Tau.
Divulgaciones: Martin Kampmann ha presentado una solicitud de patente relacionada con el examen CRISPRi y CRISPRa PCT / US15 / 40449 y forma parte de la Junta Científica Asesora de Biociencias de Motores.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Francisco . Original escrito por Jason Alvarez. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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