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Visualização do mecanismo de recombinase da ponte. Crédito: Visual Science
Cientistas do Arc Institute descobriram o mecanismo de recombinase de ponte, uma ferramenta revolucionária que permite a programação completa ADN rearranjos.
A sua descoberta, detalhada num estudo recente Natureza publicação, é a primeira recombinase de DNA que utiliza uma molécula não codificadora ARN para seleção específica de sequência de moléculas de DNA doadoras e alvos. Este RNA ponte é programável, permitindo que o usuário especifique qualquer sequência genômica alvo desejada e qualquer molécula de DNA doadora a ser inserida.
A pesquisa foi desenvolvida em colaboração com os laboratórios de Silvana Konermann, pesquisadora principal do Arc Institute e professora assistente de bioquímica da Universidade de Stanford, e Hiroshi Nishimasu, professor de Biologia Estrutural da Universidade de Tóquio.
Visualização do mecanismo de recombinase de ponte destacando os loops de ligação do doador e do alvo. Crédito: Visual Science
Uma nova era de programação genética
“O sistema de RNA de ponte é um mecanismo fundamentalmente novo para a programação biológica”, disse o Dr. Patrick Hsu, autor sênior do estudo e pesquisador principal do Arc Institute e Universidade da California, Berkeley Professor Assistente de Bioengenharia. “A recombinação de pontes pode modificar universalmente o material genético por meio de inserção, excisão, inversão e mais específicos de sequência, permitindo um processador de texto para o genoma vivo além do CRISPR.”
O sistema de recombinação de ponte vem de elementos de sequência de inserção 110 (IS110), um dos inúmeros tipos de elementos transponíveis – ou “genes saltadores” – que se cortam e colam para se mover dentro e entre genomas microbianos. Elementos transponíveis são encontrados em todas as formas de vida e evoluíram para máquinas profissionais de manipulação de DNA para sobreviver. Os elementos IS110 são muito mínimos, consistindo apenas de um gene que codifica a enzima recombinase, mais segmentos de DNA de flanqueamento que, até agora, permaneceram um mistério.
Visualização do mecanismo de recombinase de ponte destacando o DNA do transposon e o sítio alvo genômico. Crédito: Visual Science
Mecanismo avançado de RNA de ponte
O laboratório Hsu descobriu que quando o IS110 se excisa de um genoma, as extremidades não codificadoras do DNA são unidas para produzir uma molécula de RNA – o RNA ponte – que se dobra em dois loops. Um loop se liga ao próprio elemento IS110, enquanto o outro loop se liga ao DNA alvo onde o elemento será inserido. O RNA ponte é o primeiro exemplo de uma molécula guia biespecífica, especificando a sequência do DNA alvo e doador por meio de interações de pareamento de bases.
Uma equipe de pesquisadores do Arc Institute descobriu o mecanismo de recombinase de ponte, uma ferramenta precisa e poderosa para recombinar e reorganizar o DNA de forma programável. Indo muito além de tesouras genéticas programáveis como CRISPR, o mecanismo de recombinase de ponte permite que os cientistas especifiquem não apenas o DNA alvo a ser modificado, mas também o material doador a ser reconhecido, para que possam inserir material genético novo e funcional, cortar DNA defeituoso ou inverter quaisquer duas sequências de interesse. Descubra mais neste pequeno vídeo que visualiza os principais aspectos do mecanismo de recombinação de ponte. Crédito: Visual Science
Cada loop do RNA da ponte é programável de forma independente, permitindo que os pesquisadores misturem e combinem quaisquer sequências de DNA doadoras e alvos de interesse. Isso significa que o sistema pode ir muito além de sua função natural que insere o próprio elemento IS110, em vez disso, permitindo a inserção de qualquer carga genética desejável — como uma cópia funcional de um gene defeituoso causador de doenças — em qualquer local genômico. Neste trabalho, a equipe demonstrou mais de 60% de eficiência de inserção de um gene desejado em E. coli com mais de 94% de especificidade para a localização genômica correta.
“Esses RNAs de ponte programáveis distinguem o IS110 de outras recombinases conhecidas, que não têm um componente de RNA e não podem ser programadas”, disse o coautor principal Nick Perry, um estudante de pós-graduação em bioengenharia da UC Berkeley. “É como se o RNA de ponte fosse um adaptador de energia universal que torna o IS110 compatível com qualquer tomada.”
Patrick Hsu, Nick Perry e Matt Durrant discutem o mecanismo de recombinase de ponte recém-descoberto. Crédito: Ray Rudolph
Pesquisa colaborativa e implicações futuras
A descoberta do laboratório Hsu é complementada pela colaboração com o laboratório do Dr. Hiroshi Nishimasu na Universidade de Tóquio, também publicada em 26 de junho em Natureza. O laboratório de Nishimasu usou microscopia crioeletrônica para determinar as estruturas moleculares do complexo de RNA de ponte recombinase ligado ao DNA alvo e doador, progredindo sequencialmente pelas principais etapas do processo de recombinação.
Januka Athukoralage, Nicholas Perry, Silvana Konermann, Matthew Durrant, Patrick Hsu, James Pai e Aditya Jangid. Crédito: Ray Rudolph
Com mais exploração e desenvolvimento, o mecanismo de ponte promete inaugurar uma terceira geração de sistemas guiados por RNA, expandindo além dos mecanismos de corte de DNA e RNA de CRISPR e interferência de RNA (RNAi) para oferecer um mecanismo unificado para rearranjos de DNA programáveis. Crítico para o desenvolvimento posterior do sistema de recombinação de ponte para o design do genoma de mamíferos, a recombinase de ponte une ambas as fitas de DNA sem liberar fragmentos de DNA cortados – contornando uma limitação fundamental das atuais tecnologias de edição de genoma de última geração.
“O mecanismo de recombinação de ponte resolve alguns dos desafios mais fundamentais enfrentados por outros métodos de edição de genoma”, disse o colíder da pesquisa Matthew Durrant, um cientista sênior da Arc. “A capacidade de reorganizar programaticamente quaisquer duas moléculas de DNA abre a porta para avanços no design do genoma.”
Referências:
“RNAs de ponte direcionam a recombinação programável do DNA alvo e doador” por Matthew G. Durrant, Nicholas T. Perry, James J. Pai, Aditya R. Jangid, Januka S. Athukoralage, Masahiro Hiraizumi, John P. McSpedon, April Pawluk, Hiroshi Nishimasu, Silvana Konermann e Patrick D. Hsu, 26 de junho de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07552-4
“Mecanismo estrutural de recombinação guiada por RNA de ponte” por Masahiro Hiraizumi, Nicholas T. Perry, Matthew G. Durrant, Teppei Soma, Naoto Nagahata, Sae Okazaki, Januka S. Athukoralage, Yukari Isayama, James J. Pai, April Pawluk, Silvana Konermann, Keitaro Yamashita, Patrick D. Hsu e Hiroshi Nishimasu, 26 de junho de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07570-2