La nueva técnica de edición de genes basada en CRISPR del MIT transforma los estudios de mutación del cáncer

Los investigadores del MIT han desarrollado una técnica rápida y precisa utilizando la tecnología de edición del genoma CRISPR para diseñar mutaciones específicas relacionadas con el cáncer en modelos de ratón, un paso que podría avanzar significativamente en el desarrollo de fármacos y la comprensión del desarrollo del tumor. p53 (azul) se une al ADN (rosa) para ayudar a prevenir la formación de cáncer.

Con el nuevo método, los científicos pueden explorar muchas mutaciones del cáncer cuyas funciones se desconocen, ayudándolos a desarrollar nuevos medicamentos que se dirijan a esas mutaciones.

CON Los científicos han avanzado en la investigación del cáncer mediante la creación de un método novedoso para diseñar mutaciones específicas relacionadas con el cáncer en modelos de ratón utilizando la tecnología de edición del genoma CRISPR. Esta técnica se ha empleado para diseñar modelos de múltiples mutaciones del gen que causa el cáncer, Kras, en varios órganos. El método rápido y preciso pasa por alto el laborioso enfoque tradicional que tomó meses o años para producir y analizar ratones con una sola mutación relacionada con el cáncer. Además, los investigadores esperan que la técnica pueda aplicarse a cualquier mutación del cáncer. Como tal, esta poderosa herramienta brinda potencial para identificar y probar nuevos medicamentos que se dirijan a estas mutaciones y comprender sus distintos efectos en el desarrollo de tumores.

Los estudios genómicos de pacientes con cáncer han revelado miles de mutaciones relacionadas con el desarrollo de tumores. Sin embargo, para la gran mayoría de esas mutaciones, los investigadores no están seguros de cómo contribuyen al cáncer porque no hay una manera fácil de estudiarlas en modelos animales.

En un avance que podría ayudar a los científicos a hacer mella en esa larga lista de mutaciones inexploradas, los investigadores del MIT han desarrollado una forma de diseñar fácilmente mutaciones específicas relacionadas con el cáncer en modelos de ratones.

Usando esta técnica, que se basa en la tecnología de edición del genoma CRISPR, los investigadores han creado modelos de varias mutaciones diferentes del gen Kras que causa cáncer, en diferentes órganos. Creen que esta técnica también podría usarse para casi cualquier otro tipo de mutación del cáncer que se haya identificado.

Dichos modelos podrían ayudar a los investigadores a identificar y probar nuevos medicamentos que se dirijan a estas mutaciones.

“Esta es una herramienta notablemente poderosa para examinar los efectos de prácticamente cualquier mutación de interés en un animal intacto, y en una fracción del tiempo requerido para los métodos anteriores”, dice Tyler Jacks, profesor de biología David H. Koch, miembro del Instituto Koch para la Investigación Integral del Cáncer del MIT, y uno de los autores principales del nuevo estudio.

Francisco Sánchez-Rivera, profesor asistente de biología en el MIT y miembro del Instituto Koch, y David Liu, profesor en el Departamento de Química y Biología Química de la Universidad de Harvard y miembro del instituto central del Instituto Broad, también son autores principales de el estudio, que fue publicado el 11 de mayo en Naturaleza Biotecnología.

Zack Ely PhD ’22, un ex estudiante graduado del MIT que ahora es científico visitante en el MIT, y el estudiante graduado del MIT Nicolas Mathey-Andrews son los autores principales del artículo.

Edición más rápida

Probar medicamentos contra el cáncer en modelos de ratones es un paso importante para determinar si son lo suficientemente seguros y efectivos para participar en ensayos clínicos en humanos. Durante los últimos 20 años, los investigadores han utilizado la ingeniería genética para crear modelos de ratón eliminando genes supresores de tumores o activando genes que promueven el cáncer. Sin embargo, este enfoque requiere mucho trabajo y requiere varios meses o incluso años para producir y analizar ratones con una sola mutación relacionada con el cáncer.

“Un estudiante de posgrado puede construir un doctorado completo en torno a la construcción de un modelo para una mutación”, dice Ely. “Con los modelos tradicionales, el campo tardaría décadas en ponerse al día con todas las mutaciones que hemos descubierto con el Cancer Genome Atlas”.

A mediados de la década de 2010, los investigadores comenzaron a explorar la posibilidad de usar el sistema de edición del genoma CRISPR para hacer que las mutaciones cancerosas sean más fáciles. Parte de este trabajo ocurrió en el laboratorio de Jacks, donde Sánchez-Rivera (entonces estudiante de posgrado del MIT) y sus colegas presentado que podrían usar CRISPR para eliminar rápida y fácilmente genes que a menudo se pierden en los tumores. Sin embargo, aunque este enfoque facilita la eliminación de genes, no se presta a insertar nuevas mutaciones en un gen porque depende de la capacidad de la célula. ADN mecanismos de reparación, que tienden a introducir errores.

Inspirándose en la investigación del laboratorio de Liu en el Broad Institute, el equipo del MIT quería encontrar una forma de realizar una edición de genes más precisa que les permitiera realizar mutaciones muy específicas en oncogenes (genes que impulsan el cáncer) o supresores de tumores.

En 2019, Liu y sus colegas informaron sobre una nueva versión de la edición del genoma CRISPR llamada edición principal. A diferencia de la versión original de CRISPR, que usa una enzima llamada Cas9 para crear rupturas de doble cadena en el ADN, la edición principal usa una enzima modificada llamada Cas9 nickase, que se fusiona con otra enzima llamada transcriptasa inversa. Esta enzima de fusión corta solo una hebra de la hélice del ADN, lo que evita introducir roturas en el ADN de doble hebra que pueden dar lugar a errores cuando la célula repara el ADN.

Los investigadores del MIT diseñaron sus nuevos modelos de ratón modificando el gen de la enzima editora principal en las células de la línea germinal de los ratones, lo que significa que estará presente en todas las células del organismo. La enzima editora principal codificada permite que las células copien un ARN secuencia en el ADN que se incorpora al genoma. Sin embargo, el gen editor principal permanece en silencio hasta que se activa mediante el suministro de una proteína específica llamada recombinasa Cre.

Dado que el sistema de edición principal está instalado en el genoma del ratón, los investigadores pueden iniciar el crecimiento del tumor al inyectar la recombinasa Cre en el tejido donde quieren que se exprese una mutación del cáncer, junto con un ARN guía que dirige a la nickasa Cas9 para que realice una edición específica en el genoma de las células. La guía de ARN se puede diseñar para inducir sustituciones, eliminaciones o adiciones de una sola base de ADN en un gen específico, lo que permite a los investigadores crear cualquier mutación de cáncer que deseen.

Modelado de mutaciones

Para demostrar el potencial de esta técnica, los investigadores diseñaron varias mutaciones diferentes en el gen Kras, que provoca alrededor del 30 por ciento de todos los cánceres humanos, incluidos casi todos los adenocarcinomas pancreáticos. Sin embargo, no todas las mutaciones de Kras son idénticas. Muchas mutaciones de Kras ocurren en un lugar conocido como G12, donde el amino ácido se encuentra glicina, y dependiendo de la mutación, esta glicina se puede convertir en uno de varios diferentes aminoácidos.

Los investigadores desarrollaron modelos de cuatro tipos diferentes de mutaciones de Kras que se encuentran en el cáncer de pulmón: G12C, G12D, G12R y G12A. Para su sorpresa, encontraron que los tumores generados en cada uno de estos modelos tenían rasgos muy diferentes. Por ejemplo, las mutaciones G12R produjeron tumores de pulmón grandes y agresivos, mientras que los tumores G12A eran más pequeños y progresaban más lentamente.

Aprender más sobre cómo estas mutaciones afectan el desarrollo del tumor de manera diferente podría ayudar a los investigadores a desarrollar medicamentos que se dirijan a cada una de las diferentes mutaciones. Actualmente, solo hay dos medicamentos aprobados por la FDA que se dirigen a las mutaciones de Kras, y ambos son específicos de la mutación G12C, que representa alrededor del 30 por ciento de las mutaciones de Kras observadas en el cáncer de pulmón.

Los investigadores también utilizaron su técnica para crear organoides pancreáticos con varios tipos diferentes de mutaciones en el gen supresor de tumores p53, y ahora están desarrollando modelos de ratón de estas mutaciones. También están trabajando en la generación de modelos de mutaciones de Kras adicionales, junto con otras mutaciones que ayuden a conferir resistencia a los inhibidores de Kras.

“Algo que nos entusiasma es buscar combinaciones de mutaciones, incluidas las mutaciones de Kras que impulsan la tumorigénesis, junto con mutaciones asociadas a la resistencia”, dice Mathey-Andrews. “Esperamos que eso nos dé una idea no solo de si la mutación causa resistencia, sino también de cómo se ve un tumor resistente”.

Los investigadores han hecho que los ratones con el sistema de edición principal incorporado en su genoma estén disponibles a través de un depósito en el Laboratorio Jackson, y esperan que otros laboratorios comiencen a usar esta técnica para sus propios estudios de mutaciones del cáncer.

Referencia: “Un ratón editor principal para modelar un amplio espectro de mutaciones somáticas in vivo” por Zackery A. Ely, Nicolas Mathey-Andrews, Santiago Naranjo, Samuel I. Gould, Kim L. Mercer, Gregory A. Newby, Christina M. Cabana, William M. Rideout III, Grissel Cervantes Jaramillo, Jennifer M. Khirallah, Katie Holland, Peyton B. Randolph, William A. Freed-Pastor, Jessie R. Davis, Zachary Kulstad, Peter MK Westcott, Lin Lin, Andrew V. Anzalone, Brendan L. Horton, Nimisha B. Pattada, Sean-Luc Shanahan, Zhongfeng Ye, Stefani Spranger, Qiaobing Xu, Francisco J. Sánchez-Rivera, David R. Liu y Tyler Jacks, 11 de mayo de 2023, Naturaleza Biotecnología.
DOI: 10.1038/s41587-023-01783-y

La investigación fue financiada por el Centro Ludwig del MIT, el Instituto Nacional del Cáncer, una beca Hanna Gray del Instituto Médico Howard Hughes, la Fundación V para la Investigación del Cáncer, un premio Frontier del Instituto Koch, el Comité de Apoyo a la Investigación del MIT, una beca postdoctoral Helen Hay Whitney , el Fondo de Becas para Graduados David H. Koch, el Institutos Nacionales de Saludy la Fundación Lustgarten para la Investigación del Cáncer de Páncreas.

Otros autores del artículo incluyen a James Orange, Samuel Gould, Kim Mercer, Gregory Newby, Christina Cabana, William Rideout, Grissel Cervantes Jaramillo, Jennifer Khirallah, Katie Holland, Peyton Randolph, William Freed-Pastor, Jessie Davis, Zachary Kulstad, Peter Westcott , Lin Lin, Andrew Anzalone, Brendan Horton, Nimisha Pattada, Sean-Luc Shanahan, Zhongfeng Ye, Stephanie Spranger y Qiaobing Xu.