CRISPR ganó fama científica por su capacidad para editar genes de forma rápida y precisa. Pero, en esencia, los sistemas CRISPR son sistemas inmunológicos que ayudan a las bacterias a protegerse de los virus al atacar y destruir el ADN y el ARN virales. Un nuevo estudio publicado en Science revela un jugador previamente no reconocido en uno de esos sistemas, una proteína de membrana que mejora la defensa antiviral, lo que amplía simultáneamente nuestra comprensión y plantea más preguntas relacionadas con las complejidades de CRISPR.
Descubriendo nuevas pistas sobre CRISPR
Los sistemas CRISPR constan de dos componentes principales: un ARN guía que se dirige a una secuencia específica de ADN o ARN viral y una enzima Cas que corta el ADN o ARN objetivo, evitando que un virus se replique y se propague. Un equipo del Centro de Biología del ARN de la Universidad de Rochester descubrió que una proteína Cas específica (Cas13b) no solo corta el ARN viral, sino que se comunica con otra proteína (Csx28) para aumentar su defensa antiviral.
En asociación con científicos de Cornell, el equipo descubrió que la proteína Csx28 forma una estructura similar a un poro (es decir, tiene un gran agujero). Cuando infectaron E. coli con un fago (virus que ataca a las bacterias) e implementaron el sistema CRISPR-Cas13 para atacar y detener la infección, descubrieron que Cas13 envía señales a Csx28 para afectar la permeabilidad de la membrana. Una vez que esto sucede, Csx28 causa estragos en la célula infectada, alterando el potencial de la membrana, aplastando el metabolismo y obstaculizando la producción de energía. Un virus no puede replicarse en circunstancias tan inhóspitas, lo que lleva a la conclusión del equipo de que Csx28 mejora la defensa contra fagos de CRISPR-Cas13b.
« Este hallazgo anula la idea de que los sistemas CRISPR montan su defensa solo al degradar el ARN y el ADN en las células y realmente amplía nuestra visión de cómo pueden estar funcionando los sistemas CRISPR », dijo el autor correspondiente Mitchell O’Connell, PhD, profesor asistente de Bioquímica y Biofísica. en el Centro Médico de la Universidad de Rochester (URMC) y miembro del Centro UR para la Biología del ARN. « Cuando pensamos en CRISPR, vemos que las proteínas Cas como Cas9 o Cas13 son el gran martillo que causa todo el daño, pero ese podría no ser el caso; descubrimos que Cas13 y Csx28 están trabajando juntos para extinguir un virus de manera efectiva ».
« Cuando lees este artículo, piensas para ti mismo. ‘¿qué?’ Este es un mecanismo tan extraño y no de la forma en que hubiera predicho que las bacterias funcionarían », agregó John Lueck, PhD, profesor asistente de Farmacología y Fisiología en URMC. « Es realmente impresionante que el equipo haya identificado esta proteína similar a un poro que no se parece a nada que hayamos visto antes, y ahora que sabemos que este mecanismo existe, la gente comenzará a buscarlo en otros sistemas. Esto es emocionante. porque en la ciencia, cuando rascas la superficie, a menudo descubres que hay un mundo completamente nuevo detrás ».
Más preguntas que respuestas
Con el conocimiento adicional de la estructura de Csx28 mediante el uso de crio-EM de alta resolución, el equipo está comenzando a investigar la función de la proteína. Abundan las preguntas. Si el objetivo es la protección, ¿por qué hay un agujero gigante en la membrana? El equipo descubrió que cuando Cas13 no está cerca, Csx28 no está activo. ¿Qué hace que se vuelva activo en defensa? ¿Cuánto tiempo permanece activo y qué deja pasar a través de la membrana? Comprender la bioquímica detrás de la apertura y el cierre del poro arrojará luz sobre cómo CRISPR-Cas13 lo usa como parte de su defensa y proporcionará un punto de partida para el estudio de proteínas de membrana en otros sistemas CRISPR.
« Este hallazgo es inesperado y plantea todo tipo de preguntas nuevas sobre cómo las bacterias se protegen y qué hacen para sobrevivir a la infección », señaló Mark Dumont, PhD, profesor de bioquímica y biofísica en URMC que ha dedicado su carrera al estudio de las proteínas de membrana. « También es una interfaz muy interesante entre la biología del ARN, CRISPR, la biología estructural y la biología de la membrana. Si bien no hay una aplicación o relevancia médica inmediata, las ideas que surgen de esto podrían ser muy poderosas ».
Lueck agrega : « Es muy raro que un estudio tenga tantas piezas que invitan a la reflexión que reúnen varios campos diferentes. Y debido a que los conceptos son completamente nuevos, el trabajo futuro no estará abrumado por el dogma. En cualquier momento que las personas puedan aportar ideas frescas y sin trabas a la mesa es realmente bueno para la ciencia ».
Además de O’Connell, la autora principal del estudio, Arica VanderWal, PhD, exestudiante de posgrado en el laboratorio de O’Connell y ahora investigadora postdoctoral en UC San Diego, contribuyó a la investigación. Los estudiantes de posgrado Julia K. Nicosia y Adrian M. Molina Vargas en el laboratorio O’Connell, Bogdan Polevoda, PhD, profesor asistente de investigación de Bioquímica y Biofísica en URMC, y Elizabeth Kellogg, PhD, y Jung-Un Park del departamento de Molecular Biología y Genética de la Universidad de Cornell también apoyó la investigación. El estudio fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud.