La edición de genes CRISPR revela el mecanismo biológico detrás de un trastorno sanguíneo común
Los pacientes asintomáticos con enfermedad de células falciformes en realidad carecen de una pequeña parte del genoma, según han demostrado los científicos de la UNSW.
Los investigadores de la UNSW han utilizado la edición de genes CRISPR, un tipo de «tijeras moleculares», para comprender cómo las eliminaciones en un área del genoma pueden afectar la expresión de genes cercanos. El trabajo, dirigido por la profesora asociada de la UNSW Kate Quinlan y el profesor Merlin Crossley, junto con colaboradores de los EE. UU., ayudará a los investigadores a investigar nuevos enfoques terapéuticos para uno de los trastornos sanguíneos genéticos más devastadores del mundo: la enfermedad de células falciformes.
Los hallazgos del equipo se publican hoy en la revista académica Blood . Apenas la semana pasada, A/Prof. Quinlan y el profesor Crossley recibieron una subvención de enlace ARC de $412,919 para financiar una colaboración entre UNSW Sydney y CSL que sigue al trabajo descrito en este documento.
«La enfermedad de células falciformes y la beta talasemia, una enfermedad estrechamente relacionada, son afecciones genéticas hereditarias que afectan a los glóbulos rojos. Son bastante comunes en todo el mundo: cada año nacen más de 318 000 bebés con estas afecciones, y los trastornos de la hemoglobina causan el 3 % de las muertes en niños menores de cinco años en todo el mundo», dice el coautor principal A/Prof. Quinlan.
Las mutaciones genéticas, específicamente, un defecto en el gen de la globina adulta, son responsables de los trastornos. Los genes mutantes afectan la producción de hemoglobina, la proteína de los glóbulos rojos que transporta el oxígeno por todo el cuerpo.
«Curiosamente, cuando los niños nacen, no muestran síntomas de la enfermedad al principio, incluso si tienen las mutaciones, porque en esa etapa todavía expresan globina fetal y aún no expresan globina adulta. Eso se debe a que tenemos diferentes genes de hemoglobina. que expresamos en diferentes etapas de desarrollo», dice A/Prof. Quinlan.
«A medida que la globina fetal se desactiva y la globina adulta se activa, lo que sucede aproximadamente durante el primer año de vida, los síntomas comienzan a manifestarse».
Cuando eso sucede, los glóbulos rojos adoptan formas inusuales y en forma de hoz y bloquean los vasos sanguíneos pequeños , causando dolor, daño a los órganos y muerte prematura. La enfermedad es particularmente común en países tropicales y en personas de lugares donde la malaria es endémica.
«El objetivo de nuestra investigación es descubrir cómo podemos revertir el cambio de globina fetal a adulta, para que los pacientes continúen expresando globina fetal durante toda la vida, en lugar de los genes mutantes de globina adulta que hacen que las células sanguíneas se vuelvan rígidas y bloqueen los vasos». dice un/Prof. Quinlan.
Curiosamente, esto ya sucede en algunas personas con enfermedad de células falciformes: gracias a otra mutación genética beneficiosa, un subconjunto raro de pacientes mantiene el gen de la globina fetal ‘activado’ durante toda su vida y están protegidos contra los síntomas de células falciformes.
«En estos pacientes, la expresión persistente de globina fetal compensa efectivamente la globina adulta defectuosa, pero hasta esta investigación, no entendíamos realmente el proceso que condujo a esta increíble ventaja», A/Prof. Dice Quinlan.
‘Borrar’ genes con CRISPR
Para llegar al fondo de lo que sucede en el genoma de estas personas afortunadas, UNSW Ph.D. la estudiante Sarah Topfer recopiló datos sobre las raras familias que expresan globina fetal a lo largo de la vida.
«Como primer paso, Sarah comparó las eliminaciones en muchos genomas de diferentes pacientes; básicamente, buscó si faltaba algún elemento compartido en todos ellos. ¿Qué tienen en común estos pacientes? Descubrió que se eliminó una región muy pequeña en todos los genomas de estos pacientes».
Luego, Sarah usó la edición de genes CRISPR para replicar algunas de estas grandes eliminaciones de pacientes, y la pequeña eliminación que tenían en común, en líneas celulares en el laboratorio.
«CRISPR nos permite ‘cortar’ fragmentos de ADN de células cultivadas en el laboratorio, modificar genes y ver qué sucede como resultado; es esencialmente una herramienta para descubrir qué hacen los genes dentro de las células vivas», A/Prof. Dice Quinlan.
«Descubrimos que eliminar solo un poco fue suficiente para hacer que la globina fetal aumentara y la globina adulta disminuyera, lo que sugiere que hemos encontrado el mecanismo clave que puede explicar por qué los niveles de globina fetal permanecen altos en estos pacientes asintomáticos», A/Prof. . Dice Quinlan.
«Efectivamente, al eliminar el ‘interruptor de encendido’ de la globina adulta, activamos el ‘interruptor de encendido’ de la globina fetal».
El Prof. Quinlan dice que los resultados fueron inesperados.
«Fue sorprendente ver los hallazgos: muchas personas han estudiado estas mutaciones durante muchos años, por lo que la idea de que habría una hipótesis unificadora que podría explicarlas en lugar de que todas funcionen a través de diferentes mecanismos será sorprendente para el campo.
«Si bien entramos con la hipótesis de que podría haber un mecanismo, no esperábamos que saliera tan limpio, pensamos que tal vez sería más complicado de lo que habíamos pensado inicialmente».
La revolución CRISPR y las posibles terapias
El coautor principal, el Prof. Crossley, quien también es Vicerrector Adjunto de Vida Académica y Estudiantil de UNSW, dice que era imposible probar este modelo antes del advenimiento de la edición de genes CRISPR.
«Nuestro grupo se ha especializado en el uso de esta nueva tecnología para comprender el cambio de genes de globina», dice el profesor Crossley. «Australia ahora tiene un número significativo de personas con enfermedad de células falciformes o talasemia.
«El trabajo, respaldado por el Consejo Nacional de Investigación Médica y de Salud, es un ejemplo importante de cómo la revolución de edición de genes CRISPR está acelerando la comprensión científica y brindará nuevas terapias a la clínica».
Los científicos dicen que el trabajo revelado hoy está mejorando nuestra comprensión fundamental del mecanismo detrás de la enfermedad de células falciformes .
«Lo que esto realmente nos ayuda a hacer es comprender este proceso de apagar la globina fetal y encender la globina adulta y cómo podemos revertir eso, de modo que podamos usar esta comprensión del mecanismo para ayudarnos a buscar nuevos enfoques terapéuticos: es un pieza clave del rompecabezas», A/Prof. Dice Quinlan.
Algunos de los descubrimientos previos del equipo del Prof. Crossley en el campo ya están informando los ensayos clínicos, mediante el uso de mutaciones beneficiosas que han descubierto en el pasado que podrían conducir a terapias para estos trastornos.
En los Premios Premier de Ciencia e Ingeniería de Nueva Gales del Sur de 2020, el Prof. Crossley ganó el premio a la Excelencia en Ciencias Biológicas Médicas (celulares y moleculares, médicas, veterinarias y genéticas) por su trabajo en el campo.
