Neurocientífico analiza el uso de CRISPR para acelerar la investigación del cerebro

Un cerebro de mosca de la fruta en el que los canales de calcio neuronales críticos para la comunicación entre neuronas han sido etiquetados con una etiqueta verde fluorescente usando CRISPR. Crédito: Brown University

La técnica de edición de genes CRISPR ha estado en los titulares de todo el mundo por su potencial para cambiar la composición genética de los organismos y tratar enfermedades genéticas como la anemia de células falciformes. Tiene un gran potencial en muchas áreas, incluida la neurociencia.

«Los neurocientíficos están utilizando actualmente esta técnica para desentrañar cómo funciona el cerebro y esperan algún día adaptarla para ofrecer tratamientos y curas para varios trastornos neurológicos, siendo ciertas formas de ceguera quizás las más inminentes», dijo Kate O’Connor-Giles. , Profesor Asociado de Ciencias del Cerebro de Provost en la Universidad de Brown. «Las posibilidades de la neurociencia están abiertas de par en par».

CRISPR permite a los investigadores cortar y alterar con precisión el ADN de una célula. Usando CRISPR, los científicos pueden probar los genes que subyacen en la función del sistema nervioso en organismos modelo mediante la introducción de mutaciones, incluidas las asociadas con enfermedades. Esto permite a los científicos estudiar los efectos de los cambios en los genes en el desarrollo, la función y el comportamiento del sistema nervioso.

CRISPR consta de dos componentes: Cas9, una enzima que corta el ADN y a menudo se denomina tijeras moleculares, y una molécula de ARN sintético llamada gRNA, que se puede programar para reconocer sitios específicos en el genoma.

«Puede apuntar a Cas9 prácticamente en cualquier parte del genoma donde luego escindirá el ADN», dijo O’Connor -Giles, afiliado al Carney Institute for Brain Science de Brown. «Esto abre una ventana de oportunidad para volver a codificar el ADN secuestrando la maquinaria de reparación del ADN de la célula. Esto nos permite hacer todo tipo de cosas, como eliminar uno o más genes o introducir diferentes tipos de mutaciones».

O’Connor-Giles habló sobre cómo ella y su equipo han estado usando la técnica CRISPR, así como lo que los neurocientíficos como ella esperan hacer en el futuro, antes de un evento de Conversaciones Carney el 27 de abril donde explorará más el potencial de la tecnología de edición de genes en la neurociencia.

P: ¿Por qué es importante CRISPR para la neurociencia?

Muchos de los genes que regulan el desarrollo, la función y el mantenimiento del sistema nervioso son poco conocidos. Cambiar esto es una de las principales áreas de investigación en nuestro laboratorio. A medida que se vuelve más fácil determinar qué cambios genéticos conducen a un neurodesarrollo atípico, muchos genes no caracterizados se vinculan con trastornos neurológicos. CRISPR nos permite generar rápidamente modelos animales para estudiar cómo funcionan estos genes en un sistema nervioso intacto.

Del mismo modo, CRISPR se puede utilizar para estudiar mutaciones genéticas en células humanas. Las neuronas se pueden inducir a partir de células madre con el gen alterado, así como de células madre en las que CRISPR ha reparado el cambio que causa la enfermedad. Esto permite a los neurocientíficos estudiar el efecto de los cambios genéticos asociados a la enfermedad en los antecedentes genéticos exactos de la persona para comprender cómo ese cambio afecta el sistema nervioso en el contexto específico de las neuronas de esa persona. Esto es importante porque todos tenemos genomas ligeramente diferentes con pequeños cambios que pueden alterar el efecto de un cambio asociado a una enfermedad.

En combinación, los modelos de células madre y animales generados con la tecnología CRISPR son herramientas poderosas para comprensión de los trastornos neurológicos. Podemos usar CRISPR para estudiar el efecto de las diferencias en los genes sobre el envejecimiento cerebral. También podemos usar CRISPR en organismos modelo para identificar nuevos genes que desempeñan funciones importantes en el sistema nervioso. Cuanto más logremos esto, más probable será que cuando se descubra que un cambio en un gen es la base de un trastorno neurológico en un paciente, ya sabremos qué hace ese gen y qué opciones de tratamiento pueden estar disponibles. o vías prometedoras para la investigación.

P: ¿Cuándo escuchó por primera vez sobre CRISPR y se dio cuenta de que quería incorporarlo a su investigación?

En 2012, mi laboratorio quería usar genes edición para estudiar nuevos genes que habíamos identificado como candidatos a reguladores de la comunicación en el cerebro. Comenzamos trabajando para mejorar los métodos de edición de genes en moscas, lo que en ese entonces requería mucho tiempo y, a menudo, ni siquiera era posible.

Estábamos siguiendo de cerca cualquier desarrollo en la edición de genes y comenzamos a prestar atención a CRISPR. tan pronto como los laboratorios de Doudna y Charpentier demostraron que podía usarse para editar ADN en un tubo. Cuando varios laboratorios demostraron en enero y febrero de 2013 que CRISPR podía funcionar en las células, quedó claro al instante que este enfoque era tan simple como el primer paso en la edición de genes: cortar el ADN en un sitio específico. Entonces, decidimos enfocar inmediatamente nuestros esfuerzos en adaptar CRISPR en moscas y formamos una colaboración con los laboratorios de Jill Wildonger y Melissa Harrison. Tuvimos nuestra primera evidencia de que CRISPR estaba funcionando en moscas en abril de 2013 y publicamos los resultados el mes siguiente. Esto nos dio la capacidad de editar genes esencialmente a voluntad en moscas, y priorizamos la distribución abierta de nuestros reactivos y enfoques para asegurarnos de que esto fuera cierto para toda la comunidad de moscas. Fue un momento muy emocionante, y estoy encantado de haber sido parte de él. El impacto ha sido duradero, con CRISPR revolucionando por completo nuestra capacidad para estudiar genes neuronales en el laboratorio.

P: ¿Cómo cree que CRISPR afectará el tratamiento y la cura de enfermedades cerebrales?

CRISPR amplía en gran medida nuestra capacidad para estudiar los mecanismos de la enfermedad en organismos modelo y células madre para que podamos comprender por qué la función neurológica se ve afectada negativamente. Esta investigación fundamental es actualmente el área donde CRISPR tiene el mayor impacto. En nuestro laboratorio, por ejemplo, usamos CRISPR para estudiar genes cuya pérdida se ha relacionado con la discapacidad intelectual pero que no se han estudiado en el contexto del cerebro. Si bien también existe la posibilidad de usar CRISPR para curar enfermedades neurológicas, esto debe equilibrarse con los riesgos asociados con la ruptura del ADN. La entrega de componentes CRISPR a las células del cerebro también presenta un desafío. Por esta razón, los trastornos de la retina que involucran neuronas más accesibles en el ojo son actualmente los candidatos más prometedores para tratamientos basados en CRISPR en el sistema nervioso.

P: ¿Cuáles son algunos de los desafíos asociados con el uso de CRISPR para manipular materiales genéticos en humanos?

Creo que hay tres preocupaciones principales al considerar la manipulación de genomas humanos. Primero, la seguridad: ¿podemos usar CRISPR de una manera que no corra el riesgo de introducir mutaciones? Romper el ADN es inherentemente arriesgado. La célula no reparará necesariamente la rotura como estaba previsto, y podríamos romper el ADN en sitios no deseados del genoma, introduciendo accidentalmente nuevas mutaciones que podrían interrumpir la función de otros genes y provocar diferentes efectos nocivos según el gen o los genes afectados.

En segundo lugar, ¿podemos realmente realizar CRISPR en humanos con una eficacia lo suficientemente alta como para ser útiles en el tratamiento de enfermedades? Como mencioné, un cuello de botella importante aquí es la entrega de componentes CRISPR a las celdas relevantes. Esto es especialmente cierto en el sistema nervioso humano con sus miles de millones de neuronas.

Y tercero, existen preocupaciones éticas, por ejemplo, en torno al acceso equitativo a las terapias basadas en CRISPR y el uso de CRISPR para realizar cambios en genomas que van más allá de corregir los cambios asociados a la enfermedad. Este es un tema crítico que se extiende mucho más allá de la ciencia, y debería involucrarnos a todos a pensar detenidamente sobre cómo queremos y no queremos usar la edición de genes en humanos. Esta es una de las principales razones por las que es tan importante que todos tengamos una comprensión básica de CRISPR, lo que puede y no puede hacer, y cómo esto puede cambiar en un futuro relativamente cercano.

P: ¿Cómo ¿Está cambiando la tecnología como herramienta de investigación y cuáles son las formas en que se puede mejorar?

La precisión y la eficacia de CRISPR están mejorando constantemente. Y constantemente se identifican nuevos sistemas CRISPR con propiedades distintas, como apuntar al ARN en lugar del ADN. Los científicos también están constantemente ideando nuevas aplicaciones, como el uso de editores básicos, que permiten la edición de genes sin la introducción riesgosa de roturas de ADN, o la adaptación de formas de CRISPR que escinden el ARN para detectar virus o bacterias. CRISPR está evolucionando rápidamente en numerosos frentes, y espero que veamos muchos avances en los próximos años.

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