Novo método para editar o DNA pode ajudar a estudar diversas doenças genéticas

Pesquisadores converteram uma toxina bacteriana em uma ferramenta de edição de genoma que, pela primeira vez, pode fazer alterações precisas no DNA das mitocôndrias, as usinas de energia da célula. A ferramenta, que trabalhou em experimentos de laboratório com células humanas, poderia abrir as portas para novos estudos – e um dia para terapias para – dezenas de doenças difíceis de tratar causadas por mutações no DNA mitocondrial (mtDNA). Essas condições raras, que incluem neuropatia óptica hereditária de Leber e cardiomiopatia infantil letal, afetam coletivamente cerca de uma em cada 4.000 pessoas. Até agora, as pesquisas sobre essas doenças foram frustradas em parte porque não havia como reproduzir as mutações nas cepas de ratos.

O novo editor de DNA é “inovador e pioneiro”, diz Joseph Hacia, geneticista médico da Universidade do Sul da Califórnia. “É provável que funcione em camundongos, e espero que isso tenha implicações terapêuticas no futuro”.

Milhares de mitocôndrias, que provavelmente evoluíram a partir de bactérias, existem na maioria das células humanas e cada uma contém seus próprios genes. Os pesquisadores tiveram pouco progresso para corrigir os defeitos genéticos que levam a doenças mitocondriais, muitas das quais são causadas por “mutações pontuais”. Nessas mutações, uma única base de DNA – adenina, citosina, timina ou guanina – é substituída por uma que interrompe uma proteína necessária ou prejudica a usina. Uma dificuldade é que um componente-chave do editor de genoma mais famoso, CRISPR, é muito grande para entrar nas mitocôndrias. E outros editores de genoma que podem alcançar o mtDNA não têm sutileza para corrigir mutações pontuais.

Para criar a nova ferramenta, que combina recursos do CRISPR e uma tecnologia mais antiga chamada efetores do tipo ativador de transcrição (TALEs), três equipes uniram forças. “Parte do que tornou o projeto tão divertido de trabalhar e, finalmente, bem-sucedido, é o fato de três laboratórios se unirem organicamente porque a ciência nos levou um ao outro”, diz David Liu, químico do Broad Institute e o último autor de um artigo que descreve o trabalho em Natureza hoje.

O primeiro passo para essa colaboração foi a descoberta de Marcos de Moraes, um pós-doutorado em um laboratório da Universidade de Washington, Seattle, administrado pelo microbiologista Joseph Mougous. A equipe estuda como as bactérias secretam toxinas para matar outras bactérias quando há recursos escassos. Em 2018, de Moraes encontrou uma toxina bacteriana que ajuda a catalisar a conversão da citosina em uracilo. (Essa base é normal no RNA, mas no DNA se converte naturalmente em timina.) Além disso, a toxina cria essa mutação em ambas as vertentes da dupla hélice do DNA, que nunca haviam sido vistas antes.

Mougous, que como Liu é um investigador do Instituto Médico Howard Hughes (HHMI), mas não conhecia o cientista, enviou um e-mail para perguntar se ele estava interessado em colaborar porque o laboratório de Liu já havia desenvolvido editores de base de citosina e adenina que usavam um agente catalisador semelhante – uma enzima conhecida como desaminase – combinada com dois componentes da tecnologia CRISPR. Essas desaminases funcionam apenas no DNA de fita simples. A dupla CRISPR inclui um filamento de RNA que ajuda a desenroscar a dupla hélice e transfere a desaminase para alvos precisos em filamentos únicos. Mas este RNA guia (gRNA) não pode entrar nas mitocôndrias.

Mougous diz que os dois grupos reconheceram desde o início que o novo editor de base não tinha vantagem óbvia sobre os que a equipe de Liu havia desenvolvido. “Isso nos levou a procurar seu nicho”, diz ele, que provou estar alterando o mtDNA. Vamsi Mootha, especialista do Broad Institute em disfunção mitocondrial e outro pesquisador de HHMI, também se juntou à colaboração. “Estou em campo há 25 anos e é a primeira vez que conseguimos [manipulate cells]e, voilà, alguns dias depois, você tem edições no DNA mitocondrial. ”

O TALE e as nucleases de dedos de zinco, outro editor de genoma que antecede o CRISPR, podem cortar o DNA de dupla fita das mitocôndrias, destruindo-as. Isso tem o objetivo de tratar algumas doenças mitocondriais, mas não pode corrigir mutações pontuais no mtDNA. Para criar uma ferramenta mais refinada, Beverly Mok, uma estudante de pós-graduação no laboratório de Liu, anexou a desaminase derivada de toxinas do laboratório de Mougous a um TALE, uma proteína que pode entrar nas mitocôndrias e, como o gRNA, leva o complexo ao alvo.

Como a desaminase é tóxica para as mitocôndrias, os pesquisadores a dividiram em duas metades que se reúnem apenas no alvo do mtDNA. “Tivemos que domar a fera”, diz Liu. Em experimentos com células humanas, a conversão de citosina em timina ocorreu até 50% das vezes, os relatórios de colaboração hoje em Natureza. É importante ressaltar que eles não encontraram um número significativo de edições “fora do alvo”, o que potencialmente pode causar danos sérios.

Michio Hirano, que estuda doenças mitocondriais na Universidade de Columbia e não participou do trabalho, diz que esta é uma estratégia “muito inteligente” que “aborda um santo graal no campo mitocondrial”.

Além de tentar criar modelos de células e camundongos de doenças mitocondriais humanas, os pesquisadores procurarão outras desaminases bacterianas que podem modificar o DNA de fita dupla. Eles também esperam melhorar a eficiência da edição e reduzir as edições fora do alvo, para que a edição da base do mtDNA possa eventualmente ser testada em humanos. “Reconhecemos que é um longo caminho para chegar lá”, diz Liu. “Espero que a energia e os recursos do campo tomem essas ferramentas e continuem a melhorá-las agora que temos as plantas”.