Nueva Técnica Permite A Los Investigadores Controlar Genes Con Luz

Una nueva técnica puede activar y desactivar genes rápidamente

Un equipo de investigadores de MIT y el Broad Institute han desarrollado una nueva tecnología basada en la optogenética que permite a los científicos iniciar o detener la expresión de cualquier gen simplemente iluminando las células.

Aunque las células humanas tienen un estimado de 20,000 genes, solo una fracción de ellos se activa en un momento dado, dependiendo de las necesidades de la célula, que pueden cambiar por minuto o por hora. Para averiguar qué están haciendo esos genes, los investigadores necesitan herramientas que puedan manipular su estado en escalas de tiempo igualmente cortas.

Eso ahora es posible, gracias a una nueva tecnología desarrollada en el MIT y el Instituto Broad que puede iniciar o detener rápidamente la expresión de cualquier gen de interés simplemente iluminando las células.

El trabajo se basa en una técnica conocida como optogenética, que utiliza proteínas que cambian su función en respuesta a la luz. En este caso, los investigadores adaptaron las proteínas sensibles a la luz para estimular o suprimir la expresión de un gen objetivo específico casi inmediatamente después de que se enciende la luz.

“Las células tienen una expresión génica muy dinámica que ocurre en un período de tiempo bastante corto, pero hasta ahora los métodos que se utilizan para perturbar la expresión génica ni siquiera se acercan a esa dinámica. Para comprender mejor el impacto funcional de esos cambios en la expresión génica, tenemos que ser capaces de igualar la dinámica natural lo más fielmente posible ”, dice Silvana Konermann, estudiante graduada del MIT en ciencias cognitivas y del cerebro.

La capacidad de controlar con precisión el momento y la duración de la expresión génica debería hacer mucho más fácil descubrir los roles de genes particulares, especialmente aquellos involucrados en el aprendizaje y la memoria. El nuevo sistema también se puede utilizar para estudiar modificaciones epigenéticas: alteraciones químicas de las proteínas que rodean ADN – que también se cree que juegan un papel importante en el aprendizaje y la memoria.

Konermann y Mark Brigham, un estudiante de posgrado en la Universidad de Harvard, son los autores principales de un artículo que describe la técnica en la edición en línea del 22 de julio de Nature. El autor principal del artículo es Feng Zhang, profesor asistente de WM Keck en Ingeniería Biomédica en el MIT y miembro principal del Broad Institute y del McGovern Institute for Brain Research del MIT.

Iluminando los genes

El nuevo sistema consta de varios componentes que interactúan entre sí para controlar la copia de ADN en mensajero. ARN (ARNm), que transmite instrucciones genéticas al resto de la célula. La primera es una proteína de unión al ADN conocida como efector similar al activador de la transcripción (TALE). Los TALE son proteínas modulares que se pueden unir de forma personalizada para unir cualquier secuencia de ADN.

Fusionada con la proteína TALE se encuentra una proteína sensible a la luz llamada CRY2 que se encuentra naturalmente en Arabidopsis thaliana, una pequeña planta con flores. Cuando la luz llega a CRY2, cambia de forma y se une a su proteína asociada natural, conocida como CIB1. Para aprovechar esto, los investigadores diseñaron una forma de CIB1 que se fusiona con otra proteína que puede activar o suprimir la copia de genes.

Una vez que los genes de estos componentes se envían a una célula, la proteína TALE encuentra su ADN objetivo y lo envuelve. Cuando la luz incide sobre las células, la proteína CRY2 se une a CIB1, que está flotando en la célula. CIB1 trae consigo un activador de genes, que inicia la transcripción o la copia de ADN en ARNm. Alternativamente, CIB1 podría llevar un represor, que cierra el proceso.

Un solo pulso de luz es suficiente para estimular la unión de proteínas e iniciar la copia del ADN. Los investigadores encontraron que los pulsos de luz emitidos cada minuto son la forma más efectiva de lograr una transcripción continua durante el período de tiempo deseado. Dentro de los 30 minutos posteriores a la administración de luz, los investigadores detectaron un aumento en la cantidad de ARNm que se producía a partir del gen objetivo. Una vez que se detienen los pulsos, el ARNm comienza a degradarse en unos 30 minutos.

En este estudio, los investigadores intentaron apuntar a casi 30 genes diferentes, tanto en neuronas cultivadas en el laboratorio como en animales vivos. Dependiendo del gen objetivo y cuánto se expresa normalmente, los investigadores pudieron impulsar la transcripción en un factor de dos a 200.

Karl Deisseroth, profesor de bioingeniería en la Universidad de Stanford y uno de los inventores de la optogenética, dice que la innovación más importante de la técnica es que permite el control de genes que ocurren naturalmente en la célula, a diferencia de los genes diseñados por científicos.

“Podías controlar, en momentos precisos, un locus genético en particular y ver cómo todo responde a eso, con alta precisión temporal”, dice Deisseroth, que no formaba parte del equipo de investigación.

Modificaciones epigenéticas

Otro elemento importante del control de la expresión génica es la modificación epigenética. Una clase importante de efectores efectores es la modificación química de las proteínas, conocidas como histonas, que anclan el ADN cromosómico y controlan el acceso a los genes subyacentes. Los investigadores demostraron que también pueden alterar estas modificaciones epigenéticas fusionando proteínas TALE con modificadores de histonas.

Se cree que las modificaciones epigenéticas juegan un papel clave en el aprendizaje y la formación de recuerdos, pero esto no se ha explorado muy bien porque no hay buenas formas de interrumpir las modificaciones, salvo bloquear la modificación de histonas de todo el genoma. La nueva técnica ofrece una forma mucho más precisa de interferir con modificaciones de genes individuales.

“Queremos permitir que las personas prueben el papel causal de modificaciones epigenéticas específicas en el genoma”, dice Zhang.

Hasta ahora, los investigadores han demostrado que algunos de los dominios efectores de las histonas pueden unirse a proteínas sensibles a la luz; ahora están tratando de expandir los tipos de modificadores de histonas que pueden incorporar al sistema.

“Sería realmente útil ampliar el número de marcas epigenéticas que podemos controlar. En este momento tenemos un conjunto exitoso de modificaciones de histonas, pero hay muchas más de ellas para las que nosotros y otros querremos poder usar esta tecnología ”, dice Brigham.

La investigación fue financiada por una beca Hubert Schoemaker; un premio R01 Transformativo de los Institutos Nacionales de Salud; un Premio Pionero del Director de los NIH; las fundaciones Keck, McKnight, Vallee, Damon Runyon, Searle Scholars, Klingenstein y Simons; y Bob Metcalfe y Jane Pauley.

Publicación: Silvana Konermann, et al., “Control óptico de la transcripción endógena y los estados epigenéticos de mamíferos”, Nature (2013); doi: 10.1038 / nature12466

Imagen: Oficina de noticias del MIT

Reproducido con permiso de MIT News

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