Um "hairpin" incorporado evita os RNAs CRISPR desonestos
Equipa de investigação descobre mecanismo de otimização no sistema CRISPR-Cas13
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O sistema de edição de genes CRISPR-Cas tem sido objeto de investigação desde há muito tempo, sendo uma ferramenta promissora na edição do genoma. No entanto, a ênfase tem sido colocada nos seus mecanismos e nucleases subjacentes. Em contrapartida, pouca investigação examinou a forma como os sistemas CRISPR-Cas evoluíram e foram optimizados. Em colaboração com as universidades de Leipzig, Freiburg e Michigan (EUA), uma equipa de investigação do Instituto Helmholtz para a Investigação de Infecções Baseadas em RNA (HIRI) em Würzburg descobriu um mecanismo de otimização no CRISPR-Cas13, fornecendo informações sobre a evolução destes sistemas. Os resultados foram recentemente publicados no EMBO Journal.
Os sistemas CRISPR-Cas são os únicos sistemas imunitários adquiridos conhecidos nas bactérias. Podem armazenar informação genética de fagos atacantes - vírus que infectam bactérias - para combater futuras infecções. Nas matrizes CRISPR, que são sequências de ADN, um fragmento de ADN do fago atacante é arquivado entre duas repetições de sequência fixa. Cada fragmento viral produz um ácido ribonucleico CRISPR (crRNA), que instrui o sistema a reconhecer o mesmo intruso no caso de um novo ataque.
O mecanismo subjacente é complexo e consiste em vários componentes que funcionam em simultâneo. No entanto, estes componentes podem interferir uns com os outros. Por exemplo, para armazenar uma matriz CRISPR, ela deve começar e terminar com uma repetição. Isto resulta numa repetição a mais numa das extremidades, o que produz um ARN CRISPR - tudo sem quaisquer "snippets virais". "O RNA CRISPR resultante, conhecido como RNA CRISPR estranho (ecrRNA), é, na melhor das hipóteses, um desperdício. Na pior das hipóteses, distrai a maquinaria CRISPR e impede-a de procurar vírus infectantes", diz Chase Beisel, chefe de departamento afiliado do HIRI e membro do corpo docente do Instituto Botnar de Engenharia Imunológica em Basileia, Suíça. Beisel iniciou a investigação, que foi recentemente publicada no EMBO Journal.
Mas a natureza tem uma solução: Num estudo de 2022 publicado na revista Nature Microbiology, Beisel e a sua equipa demonstraram que um tipo de sistemas CRISPR-Cas, que utilizam nucleases Cas9 para cortar o ADN, pode impedir a formação de ecrRNAs através da introdução de um ARN adicional a montante da repetição problemática. "O ARN liga-se à primeira repetição e garante que esta não é reconhecida pela maquinaria CRISPR", explica Beisel.
Durante muito tempo, porém, não se sabia se outros sistemas CRISPR-Cas também utilizavam esta solução. Juntamente com cientistas das universidades de Leipzig, Freiburg e Michigan, nos EUA, investigadores do Instituto Helmholtz para a Investigação de Infecções Baseadas em RNA (HIRI), uma unidade do Centro Helmholtz de Braunschweig para a Investigação de Infecções (HZI), em cooperação com a Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), investigaram se os sistemas CRISPR-Cas13 - que têm poucas semelhanças com os sistemas CRISPR-Cas9 - produzem ecrRNAs e, em caso afirmativo, como os neutralizam.
Uma solução para todos os sistemas
"Descobrimos que muitos sistemas CRISPR-Cas13 também utilizam um ARN para evitar a formação de ecrRNAs", diz Angela Migur, uma antiga investigadora de pós-doutoramento no laboratório de Chase Beisel. Com a primeira repetição, este ARN protetor forma uma estrutura estável semelhante a um hairpin. Isto impede que a nuclease Cas13 se ligue à repetição, a processe e produza assim um ecrRNA. "O aparecimento do 'hairpin' foi inesperado, uma vez que os sistemas CRISPR-Cas9 e CRISPR-Cas13 evoluíram de forma independente e funcionam de forma muito diferente", acrescenta Migur. "Surpreendentemente, no entanto, os mecanismos que inibiram a formação de ecrRNA foram muito semelhantes".
Estas observações apontam para um caso notável de evolução convergente: diferentes sistemas CRISPR-Cas desenvolveram independentemente mecanismos para ultrapassar obstáculos comuns na defesa imunitária.
A equipa também descobriu que nem todos os sistemas CRISPR-Cas dependem desse ARN protetor. O fator decisivo era se a repetição adicional ocorria no início ou no fim da matriz CRISPR. Esta observação sugere que ainda há outras estratégias distintas a serem descobertas para aumentar a eficácia dos sistemas CRISPR-Cas.
Novas perspectivas de investigação
As nucleases Cas13 são agora amplamente utilizadas como ferramentas de investigação e como um método não permanente de edição de genes ao nível do ARN. A descoberta da equipa de investigação pode ajudar a tornar estes sistemas mais eficazes, garantindo que apenas são produzidos os RNAs CRISPR pretendidos. Além disso, existe a possibilidade de inibir a defesa viral pelo sistema CRISPR-Cas utilizando ecrRNAs, tornando a ferramenta genética mais fácil de controlar.
Embora a investigação já tenha feito enormes esforços para caraterizar novos sistemas CRISPR-Cas, tem-se concentrado principalmente nos mecanismos fundamentais da imunidade adaptativa, em particular nas propriedades das respectivas nucleases. No entanto, até agora, pouca investigação foi feita sobre a forma como os componentes individuais destes sistemas são coordenados de forma óptima para garantir que a sua interação é tão eficiente quanto possível. Neste estudo, foi descoberto um inconveniente da estrutura das matrizes CRISPR, que pode ser facilmente remediado por um simples ARN em cadeia. "Esperamos que o nosso trabalho incentive a comunidade de investigação a investigar mais intensamente as limitações dos sistemas CRISPR-Cas e outros mecanismos de defesa bacterianos. Ao mesmo tempo, é importante esclarecer quais as estratégias que estes sistemas desenvolveram para ultrapassar esses obstáculos da forma mais eficaz possível", afirmou Beisel.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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