Más allá de las tijeras genéticas: descubierto un nuevo mecanismo CRISPR

Las bacterias disponen de una gran variedad de mecanismos para defenderse de invasores como los virus. Una de estas estrategias consiste en escindir los ácidos ribonucleicos de transferencia (ARNt), que están presentes en todas las células y desempeñan un papel fundamental en la traducción del ARN mensajero (ARNm) en proteínas esenciales. Su inactivación limita la producción de proteínas, haciendo que la célula infectada entre en estado latente. Como resultado, el atacante no puede seguir replicándose y propagándose dentro de la población bacteriana.

Una defensa bacteriana común que hasta ahora no se ha asociado con la escisión del ARNt son los sistemas CRISPR-Cas. CRISPR utiliza proteínas guiadas por ARN, conocidas como nucleasas Cas (de CRISPR-associated), para reconocer a los invasores basándose en su material genético y desactivarlos. Una vez que identifican un patógeno, las nucleasas desencadenan una respuesta inmunitaria única para cada sistema. Esto incluye, por ejemplo, escindir el ADN extraño o detener el crecimiento mediante la degradación generalizada del ARN y el ADN. Estos mecanismos ya han sido empleados por la humanidad de muchas maneras, y CRISPR ha sido reconocido como una base importante para las tecnologías de edición del genoma. Sin embargo, hasta ahora no se sabía que CRISPR-Cas también se dirige preferentemente a los ARNt como parte de una respuesta inmunitaria.

Un descubrimiento inesperado

Investigadores del Instituto Helmholtz para la Investigación de Infecciones Basadas en el ARN (HIRI), dependiente del Centro Helmholtz de Braunschweig para la Investigación de Infecciones (HZI) en cooperación con la Universidad Julius-Maximilians de Würzburg (JMU), han colaborado con científicos del HZI y de la Universidad Estatal de Utah (USU) para descubrir un nuevo mecanismo CRISPR dirigido a los ARNt. "Estos hallazgos fueron totalmente inesperados", afirma Chase Beisel, jefe de departamento del HIRI y autor del estudio, que se publica hoy en la revista Nature. "En realidad, nuestro equipo estaba trabajando con proteínas asociadas a una nucleasa única llamada Cas12a2", añade Beisel.

En dos estudios publicados en la revista Nature en enero de 2023, equipos en los que participaba Chase Beisel describieron cómo habían encontrado a Cas12a2 en una familia de nucleasas que escinden exclusivamente ADN. En cambio, Cas12a2 era capaz de escindir ampliamente tanto ARN como ADN. "Nuestra hipótesis era que esta familia de proteínas podría tener otras funciones especiales. Y acertamos: encontramos Cas12a3 con sus propiedades únicas", añade Oleg Dmytrenko, antiguo postdoctorando en el laboratorio de Beisel y primer autor del estudio publicado recientemente en Nature.

El polo opuesto

Al igual que Cas12a2, Cas12a3 también utiliza un ARN guía para reconocer secuencias de ARN extrañas. Sin embargo, una coincidencia hace que Cas12a3 cambie de forma, se una y corte una región específica del ARNt, su cola. "Esta precisión convierte a Cas12a3 en el polo opuesto de su pariente más cercano, Cas12a2, que corta de forma inespecífica pero exhaustiva", afirma Ryan Jackson, profesor de la USU y también autor correspondiente del estudio.

La llamada cola 3' es la parte más conservada de todos los ARNt. Esto significa que se ha mantenido igual en muchos organismos. Esta región es crucial para la función y estabilidad del ARNt y, por tanto, apenas ha cambiado evolutivamente. A ella se une un aminoácido activado, el principal componente de las proteínas. Durante la traducción de las proteínas, los aminoácidos se transfieren del ARNt a la cadena polipeptídica en crecimiento. Por tanto, eliminar la cola del ARNt es una forma eficaz de bloquear la producción de proteínas, un proceso vital para la célula.

La estructura de Cas12a3, que el equipo pudo descubrir mediante criomicroscopía electrónica en el HZI, revela cómo la nucleasa reconoce los ARNt: "Pudimos identificar una parte única que hemos denominado 'dominio de carga de ARNt'", explica Dirk Heinz, jefe de departamento del HZI y coautor del trabajo. "Su tarea consiste en situar con precisión la cola-3'del ARNt en el lugar adecuado para la escisión", añade Biao Yuan, postdoctorando en el laboratorio de Heinz y también primer autor del artículo.

Los investigadores pudieron explotar directamente esta alta precisión: combinaron Cas12a3 con otras dos nucleasas que también escinden con precisión pero se centran en otros ARN distintos. De este modo, el equipo pudo detectar simultáneamente ARN de tres virus distintos: el virus de la gripe, el virus respiratorio sincitial (VRS) y el SARS-CoV-2. "Esto no sólo nos permitió ampliar los límites del diagnóstico basado en CRISPR. Los resultados de nuestra investigación también podrían allanar el camino a pruebas rentables y fáciles de realizar en el punto de atención para una amplia gama de enfermedades", afirma Beisel.

Una diversidad oculta

La escisión de colas de ARNt representa una nueva respuesta inmunitaria CRISPR y demuestra las diversas formas en que las bacterias pueden combatir las infecciones. El trabajo arroja así luz sobre la enorme diversidad funcional que se oculta en los mecanismos de defensa bacterianos ya conocidos y que es necesario investigar.

El equipo de investigación ya ha planificado sus próximos pasos: "Con la esperanza de descubrir más variaciones, queremos explorar esta pequeña sección de los mecanismos de defensa CRISPR en mayor profundidad", dice Heinz, mirando hacia el futuro. "Además, planeamos hacer que Cas12a3 pueda utilizarse como tecnología para diagnósticos moleculares y otras aplicaciones", concluye Jackson.