Biologia Molecular Mexico

En Pocas Palabras:
Un equipo de científicos ha desarrollado una versión superpoderosa de unas “tijeras moleculares” naturales llamadas CASTs (parientes de CRISPR), capaces de insertar grandes fragmentos de ADN en el genoma humano con alta precisión. Utilizando una técnica de evolución ultrarrápida en el laboratorio, mejoraron la eficiencia de estas herramientas más de 200 veces. El sistema resultante, bautizado como “evoCAST”, abre la puerta a tratamientos génicos “agnósticos a la mutación” para enfermedades hereditarias y nuevas herramientas para la investigación biomédica.

Contexto: El Desafío de “Pegar” Genes Sanos
La edición genética ha revolucionado la biomedicina, permitiendo corregir errores en el ADN que causan enfermedades. Sin embargo, muchas enfermedades genéticas se deben a una gran diversidad de mutaciones distintas en un mismo gen. Diseñar una terapia específica para cada mutación es un reto enorme. Una solución más universal sería poder insertar una copia sana y completa del gen defectuoso directamente en el genoma del paciente, en un lugar preciso y seguro.

Las transposasas asociadas a CRISPR (CASTs) son sistemas bacterianos que hacen precisamente esto: utilizan el sistema CRISPR (famoso por sus capacidades de “cortar y pegar” ADN) para guiar una enzima (transposasa) que inserta un fragmento de ADN (el “cargo”) en un sitio específico. Las CASTs son atractivas porque pueden manejar grandes fragmentos de ADN y no necesitan romper las dos hebras del ADN del genoma, lo que evita muchos efectos secundarios no deseados. El problema es que, hasta ahora, las CASTs naturales funcionaban muy mal en células humanas.

El Descubrimiento: Evolución Acelerada para Super-Transposasas
Investigadores del Broad Institute, la Universidad de Harvard y la Universidad de Columbia, liderados por David R. Liu y Samuel H. Sternberg, se propusieron mejorar drásticamente la eficiencia de las CASTs. Para ello, utilizaron una poderosa técnica llamada “evolución continua asistida por fagos” (PACE).

1. PACE al Rescate: PACE es como una máquina del tiempo biológica que acelera la evolución en el laboratorio. Los científicos vincularon la capacidad de la CAST para insertar ADN con la supervivencia de unos virus (fagos) que se estaban modificando continuamente. Solo los fagos que portaban las versiones más eficientes de la CAST podían replicarse y sobrevivir, pasando por cientos de “generaciones” evolutivas en poco tiempo.

2. Nace evoCAST: Tras este intenso proceso evolutivo, que implicó una dilución total de 10^322 veces (¡un número astronómico!), obtuvieron una variante de la proteína transposasa TnsB (un componente clave de la CAST) que era más de 200 veces más eficiente integrando ADN en células humanas que la versión original. Esta TnsB evolucionada ya no necesitaba la ayuda de una proteína bacteriana accesoria (ClpX) que es tóxica para las células humanas.

3. Un Sistema Optimizado: Combinaron esta TnsB evolucionada con otros componentes de la CAST también mejorados mediante ingeniería racional y evolución dirigida, creando el sistema “evoCAST”.

4. Eficiencia y Precisión Impresionantes: EvoCAST logró tasas de integración de genes de entre el 10% y el 30% en 14 sitios genómicos diferentes en células humanas. Esto representa una mejora promedio de 420 veces sobre la CAST original. Además, evoCAST pudo integrar grandes fragmentos de ADN (más de 10,000 pares de bases) y demostró funcionar en diversos tipos de células humanas, incluyendo fibroblastos primarios de pacientes.
5. Seguridad Prometedora: Es crucial destacar que evoCAST realizó estas inserciones con alta pureza: no se detectaron inserciones o deleciones no deseadas (indels) en el sitio de integración, la inserción del gen fue mayormente unidireccional y con precisión de un solo par de bases, y los niveles de integración fuera del sitio objetivo (off-target) fueron bajos.

Cómo lo Hicieron:
El corazón de este trabajo fue el sistema PACE. Los científicos diseñaron un circuito genético en E. coli donde la inserción exitosa de ADN por parte de la CAST activaba la producción de una proteína esencial para que los fagos (que llevaban las variantes de la CAST) pudieran replicarse. Así, solo las CASTs más rápidas y eficientes permitían la propagación de sus “fagos portadores”. Esto, combinado con una tasa de mutación constante en los fagos, permitió una evolución dirigida muy potente.

Relevancia e Implicaciones: Un Gran Salto para la Terapia Génica y la Investigación
Este trabajo establece a las CASTs como una poderosa plataforma tecnológica para la integración eficiente de genes en células humanas, con varias ventajas clave:

• Terapias Universales: La capacidad de evoCAST para insertar copias sanas de genes podría permitir desarrollar tratamientos “agnósticos a la mutación” para muchas enfermedades genéticas de pérdida de función, beneficiando a un mayor número de pacientes con una sola estrategia terapéutica.
• Aplicaciones Diversas: Más allá de la terapia génica, la integración programada de genes tiene aplicaciones en inmunoterapias contra el cáncer (como la ingeniería de células CAR-T), la creación de modelos celulares y animales transgénicos para investigación básica, y la ingeniería metabólica.
• Seguridad Mejorada: Al evitar las roturas de doble cadena del ADN, evoCAST reduce el riesgo de efectos secundarios peligrosos asociados con otras tecnologías de edición genética.
• Una Nueva Herramienta Evolutiva: El sistema PACE desarrollado para las CASTs también proporciona una estrategia para mejorar otras transposasas naturales y expandir aún más el arsenal de herramientas de edición genética.

Puntos Clave:

• Las CASTs son “tijeras moleculares” que insertan ADN guiadas por ARN, pero eran ineficientes en células humanas.
• Mediante evolución de laboratorio ultrarrápida (PACE), se creó evoCAST, una versión >200 veces más eficiente.
• EvoCAST integra genes grandes con alta precisión (10-30% de eficiencia) en diversos sitios y tipos de células humanas.
• Funciona sin causar roturas de doble cadena en el ADN y con bajos niveles de errores o efectos fuera del objetivo.
• Abre nuevas vías para terapias génicas universales y diversas aplicaciones biotecnológicas.

Referencia del Artículo Original:
Witte, I. P., Lampe, G. D., Eitzinger, S., Miller, S. M., Berríos, K. N., McElroy, A. N., … & Liu, D. R. (2025). Programmable gene insertion in human cells with a laboratory-evolved CRISPR-associated transposase. Science, 388(6745), 722-730. DOI: 10.1126/science.adt5199