Novos Sistemas CRISPR Descobertos, Melhorando a Precisão da Edição Genética

O que nos torna únicos? Diferentes da maioria, mas semelhantes a alguns? O que molda nossa constituição física, comportamental e até mental? A resposta está em nossos genes.

Transmitidos dos pais para seus descendentes, os genes contêm as informações que especificam características físicas e biológicas.

Mas isso não é tudo. Os genes também são responsáveis por doenças. Genes defeituosos podem causar todo tipo de problemas que se manifestam como defeitos congênitos, doenças crônicas ou problemas de desenvolvimento.

Uma forma altamente avançada de enfrentar isso é através da edição de genes ou do genoma, que permite aos cientistas fazer alterações precisas no DNA. A edição genética envolve adicionar, remover ou alterar o material genético em locais específicos.

Essas alterações específicas e direcionadas ao DNA podem levar a modificações nas características físicas ou no risco de doenças. 

Esta tecnologia não é usada apenas para tratar doenças genéticas corrigindo genes defeituosos, mas também para desenvolver novos tratamentos e obter uma compreensão mais profunda da função dos genes. Além disso, pode melhorar culturas ao fazer alterações precisas em seu DNA. Uma tecnologia de edição genética bem conhecida e amplamente usada é o CRISPR-Cas9, que se baseia em um sistema de defesa bacteriano que ocorre naturalmente.

CRISPR-Cas9 deriva do CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), um sistema imunológico bacteriano que ajuda as bactérias a se defenderem contra infecções virais reconhecendo e destruindo o DNA viral. 

Neste sistema, o CRISPR funciona como um dispositivo de homing genético, enquanto a Cas9, uma proteína, funciona como “tesouras” moleculares para cortar o DNA em locais específicos. É mais simples, mais barato e mais preciso que as técnicas de edição genética anteriores. 

Um método de edição do genoma baseado na tecnologia CRISPR-Cas9 foi, na verdade premiado com o Prêmio Nobel de Química em 2020. Foi a primeira vez na história que um Nobel foi concedido a duas mulheres.

CRISPR: Transformando a Biologia Moderna com Edição Genética

O CRISPR foi identificado pela primeira vez há algumas décadas. Em 1987, Yoshizumi Ishino e sua equipe da Universidade de Osaka o observaram nos genomas bacterianos (E. coli). No entanto, só no início dos anos 2000 o papel do CRISPR como imunidade bacteriana foi identificado.

Nos últimos anos, essa tecnologia avançou significativamente e tem transformado a biologia moderna.  

Um exemplo disso é o uso do CRISPR–Cas9 para modificar células de embriões humanos, permitindo que mudanças genéticas sejam transmitidas às gerações futuras. Isso tem sido amplamente desaprovado, com pedidos de proibição das modificações genéticas herdáveis.

Além disso, o CRISPR–Cas9 e tecnologias relacionadas também estão sendo usadas com sucesso para curar doenças que ameaçam a vida. 

Nos primeiros três meses deste ano, vários pesquisadores usaram o CRISPR para alcançar diversos avanços.

No início deste mês, uma equipe de cientistas da Colossal Biosciences criou ‘ratos lanosos’—ratos com pelos longos semelhantes ao mamute lanoso extinto. Eles fizeram isso editando simultaneamente sete genes ligados ao crescimento, cor e textura do pelo.

A equipe está trabalhando em vários projetos de desextinção, incluindo o tilacino e o dodô, sendo o mamute seu projeto principal. Todos esses projetos envolvem a coleta de células-tronco de uma espécie intimamente relacionada à extinta e, em seguida, a edição de alterações com base nos genomas da espécie falecida. Para isso, os pesquisadores usaram variações dos sistemas CRISPR/Cas9 e CRISPR/Cas.

No mês passado, cientistas do Instituto McGovern de Pesquisa Cerebral do MIT e do Broad Institute do MIT e Harvard descobriram¹ um antigo sistema guiado por RNA que pode expandir a caixa de ferramentas de edição do genoma e simplificar a entrega de terapias de edição genética.

Esses sistemas, chamados TIGR (Tandem Interspaced Guide RNA), podem ser reprogramados para atingir qualquer sequência de DNA. Eles também possuem módulos funcionais distintos que atuam sobre o DNA alvo. Além de sua modularidade, o TIGR é altamente compacto.

De acordo com Feng Zhang, professor de Neurociência no MIT, cuja equipe anteriormente adaptou sistemas bacterianos CRISPR em ferramentas de edição genética e encontrou várias proteínas programáveis:

“Este é um sistema guiado por RNA muito versátil com muitas funcionalidades diversas.” 

Em seu trabalho mais recente, a equipe focou em uma característica estrutural da proteína CRISPR-Cas9 que se liga ao guia de RNA da enzima. Eles descobriram mais de 20.000 diferentes proteínas Tas, experimentaram dezenas delas e demonstraram que algumas podem ser programadas para fazer cortes direcionados ao DNA em células humanas. Eles agora planejam desenvolver sistemas TIGR‑Tas em ferramentas programáveis.

Cientistas estão até explorando a edição genética para corrigir a trissomia ao nível celular. Recentemente removeram com sucesso cópias extras do cromossomo 21 em linhas celulares da síndrome de Down usando CRISPR‑Cas9, restaurando a expressão gênica normal.

A síndrome de Down ocorre quando há uma cópia extra do cromossomo 21. Essa condição afeta cerca de 1 em 700 nascidos vivos, e embora seja facilmente diagnosticada cedo, atualmente não há tratamentos.

Mas a última descoberta, alcançada em células cultivadas em laboratório, conseguiu remover o cromossomo extra de linhas celulares de trissomia 21, derivadas tanto de células-tronco pluripotentes quanto de fibroblastos cutâneos, deixando apenas uma cópia de cada pai em vez de duas idênticas.

Embora ainda não esteja pronta para uso em organismos vivos, isso sugere potencial de aplicação em neurônios e células gliais.

Em outra situação, cientistas chineses construíram um sistema de edição genética mais seguro usando vírus mortais como a dengue para melhorar a eficiência e segurança. O sistema usa mRNA para evitar o risco de DNA estranho permanecer e criar mutações indesejadas.

De acordo com a equipe de pesquisa, o sistema otimizado de entrega de mRNA “aumenta a flexibilidade e a aplicabilidade da edição de genoma livre de transgenes em plantas.”

Portanto, a tecnologia de edição genética revolucionou não apenas a biologia humana, mas também a agricultura ao modificar o DNA de plantas para melhorar características desejáveis como altos rendimentos.

Neste mês, cientistas da Universidade Johns Hopkins e do Cold Spring Harbor Laboratory descobriram genes chave que determinam o tamanho dos frutos. Esses genes podem ser controlados com CRISPR, abrindo caminho para produtos maiores e mais saborosos.

A pesquisa faz parte de uma iniciativa mais ampla para mapear os genomas completos de 22 culturas da família Solanaceae, incluindo batatas, berinjelas e tomates, para entender e melhorar suas características genéticas.

“Depois que você faz a edição genética, basta uma semente para iniciar uma revolução.”

– Co‑lead author Michael Schatz, geneticista da Universidade Johns Hopkins

Todos esses desenvolvimentos mostram o quanto a tecnologia avançou, mas é apenas o começo. Pesquisadores da Duke University e da North Carolina State University descobriram novos sistemas CRISPR‑Cas que aumentam ainda mais as capacidades das tecnologias de edição genética existentes.

Clique aqui para saber tudo sobre o CRISPR-Cas9. 

Advancing CRISPR: New Systems Boost Gene Editing Precision

Desde que os sistemas CRISPR‑Cas foram descobertos em bactérias, numerosos ortólogos foram identificados. Ortólogos são genes evoluídos a partir de um gene ancestral comum por meio de um evento de especiação. Eles estão presentes em diferentes espécies e potencialmente mantêm a mesma função.

Ao menos seis tipos e 33 subtipos de ortólogos foram caracterizados, mas apesar disso, os sistemas do tipo II são os mais amplamente usados em biotecnologia e pesquisa biomédica. Esses sistemas do tipo II usam Cas9 para cortar DNA.

A facilidade de reprogramar os sítios-alvo da Cas9 tornou-a tão popular e abriu uma onda de potenciais terapias de edição do genoma. 

No entanto, apesar da abundância de sistemas bacterianos CRISPR‑Cas9, poucos são eficazes em células humanas, limitando o potencial geral da tecnologia CRISPR. 

Isso cria a necessidade de ortólogos adicionais de Cas9 para expandir a gama de sequências de DNA alvo. Isso também ajudará a superar limitações de tamanho de entrega e melhorar a especificidade e eficiência da edição genética CRISPR‑Cas9.

Portanto, os pesquisadores da Duke University e da NC State University exploraram milhares de genomas bacterianos em busca de novos sistemas CRISPR‑Cas e descobriram alguns que podem ser adicionados à caixa de ferramentas de edição genética.

O estudo, publicado nos Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)² este mês, expande efetivamente o impacto da tecnologia na pesquisa, medicina e biotecnologia.

“É realmente notável que os primeiros sistemas CRISPR‑Cas usados em células humanas ainda sejam os que funcionam melhor. Queríamos vasculhar bactérias encontradas em ambientes mais obscuros em busca de diferentes sistemas CRISPR que pudessem ter habilidades distintas.”

– Charlie Gersbach, Professor de Engenharia Biomédica na Duke

Entre os genomas bacterianos recém‑descobertos, um sistema particular derivado de bactérias, que normalmente é encontrado em vacas leiteiras, demonstra promessa para a saúde humana.

Esse efetor ortogonal permite direcionamento complementar e flexível de diversas sequências genéticas para a edição de genoma de próxima geração.

O sistema também é altamente eficiente, comparável ao amplamente usado Streptococcus pyogenes CRISPR‑Cas9. Streptococcus pyogenes é a espécie bacteriana sobre a qual o CRISPR‑Cas9 e a maioria das pesquisas subsequentes usando CRISPR são baseadas.

De acordo com Rodolphe Barrangou, Professor de Alimentos, Bioprocessos e Ciências da Nutrição na NC State:

“Há muito mais diversidade de sistemas CRISPR‑Cas na natureza do que as pessoas apreciam, e pode ser muito útil minerar efetores diversos com potencial funcional como máquinas moleculares.”

Vários anos antes do artigo sobre a tecnologia receber o Prêmio Nobel, Barrangou caracterizou o CRISPR como um sistema de defesa em bactérias usadas em cultivos iniciadores de laticínios, e desde então, seu laboratório tem explorado sua diversidade para probióticos, fabricação de alimentos, edição de genomas de árvores e alteração de propriedades da madeira.

Barrangou disse o seguinte sobre a pesquisa mais recente:

“Embora alguns efetores incumbentes como SpyCas9 tenham mostrado grande potencial na clínica, precisamos expandir a caixa de ferramentas CRISPR para manipulação de próxima geração do genoma, transcriptoma e epigenoma.” 

Ele desenvolveu um programa chamado “CRISPRdisco”, que identifica sistemas CRISPR‑Cas dentro de grandes bancos de dados de genomas bacterianos. O programa ajudou os pesquisadores a identificar mais de 1000 diferentes sistemas CRISPR inexplorados.

Os pesquisadores reduziram esses sistemas para apenas 50 candidatos para o laboratório de Gersbach engenharem.

Ao testar esses sistemas CRISPR em células humanas quanto às suas habilidades como ativadores genéticos, repressores e editores genéticos e epigenéticos, quatro sistemas se destacaram por seus sucessos individuais.

Um (SubCas9) foi particularmente notável por sua versatilidade. Este componente promissor do CRISPR é encontrado na bactéria Streptococcus uberis, que é comumente encontrada em vacas leiteiras e também usada em alguns produtos probióticos humanos.

Os pesquisadores estão entusiasmados com o SubCas9 por várias razões. Para começar, o pequeno tamanho do novo sistema — menor que o escalpel molecular de DNA Cas9 convencional — permite sua entrega mais fácil em células humanas. 

Além disso, ele pode direcionar sequências genéticas únicas que são inacessíveis a outros sistemas, incluindo o contraparte original. 

A Cas9 tipicamente usada funciona em alvos genômicos adjacentes à sequência de DNA ‘GG’, que é “uma sequência de DNA bastante comum.” No entanto, se um GG não estiver próximo, é necessário um alternativo, e o novo sistema oferece isso ao trabalhar em sítios vizinhos aos padrões “AATA” ou “AGTA”.

“Este sistema pode dar aos pesquisadores flexibilidade para usar diferentes Cas9s quando precisam ser realmente precisos na seleção do sítio alvo.”

– Gabe Butterfield, o pós‑doutorando no Laboratório Gersbach

Além disso, é menos provável que seja reconhecido pelo sistema imunológico humano, pois S. uberis normalmente não é encontrado em humanos. Isso difere das espécies bacterianas, que são usadas para isolar as proteínas Cas9 mais comuns. 

Portanto, se usado em uma aplicação terapêutica, o sistema imunológico da maioria das pessoas não reconheceria o SubCas9 por exposição natural prévia.

“Além do potencial para aplicações terapêuticas, também apreciamos que bactérias que se adaptaram a habitats diversos abrigam efetores mais adequados para vários tipos de hospedeiros, com grande potencial para a descoberta de sistemas mais adequados para plantas, gado e aplicações ambientais.”

– Barrangou

Na próxima etapa, os pesquisadores investigarão a capacidade do SubCas9 de contornar a imunidade pré‑existente, como esperam. Eles também estão testando sua incorporação em várias terapias celulares e genéticas. Os pesquisadores podem também retornar aos massivos bancos de dados metagenômicos bacterianos para encontrar mais sistemas CRISPR para investigação.

No geral, os avanços mais recentes na edição genética CRISPR‑Cas9 representam um grande avanço que pode melhorar significativamente as técnicas de terapia gênica, permitindo tratamentos mais precisos e eficientes para distúrbios genéticos, cânceres e outras doenças. 

Dado o ritmo rápido da pesquisa em CRISPR, esses novos sistemas poderiam ser integrados a aplicações clínicas dentro de 3 a 5 anos, pendendo de validações adicionais e aprovações regulatórias.​

Empresa Inovadora

Editas Medicine, Inc.

Editas Medicine (EDIT ) é uma empresa líder em edição de genoma focada no desenvolvimento de terapias baseadas em CRISPR para tratar uma variedade de doenças graves.

É uma empresa de edição de genoma em estágio clínico que desenvolve medicamentos de edição genética administrados in vivo, onde o tratamento é injetado diretamente no paciente para editar células dentro do seu corpo. O CEO Gilmore O’Neill, M.B., M.M.Sc, no início deste mês, ao compartilhar atualizações de negócios, disse:

“Nosso objetivo e estratégia de nos tornarmos líderes em edição genética in vivo aceleraram no quarto trimestre depois que alcançamos a prova de conceito pré‑clínica in vivo antes do cronograma e compartilhamos dados pré‑clínicos in vivo positivos demonstrando o potencial de nossa tecnologia de plataforma para alcançar a regulação ascendente de genes, ou amplificar a expressão de uma proteína existente para alcançar níveis clinicamente relevantes que poderiam potencialmente gerar curas em múltiplos tecidos com uma única dose.” 

No momento da redação, as ações da empresa, com capitalização de mercado de US$ 117 milhões, estão sendo negociadas a US$ 1,41, alta de 11,02 % no ano. Seu EPS (TTM) é -2,88, e o índice P/E (TTM) é -0,48.

No início deste mês, a empresa relatou seus resultados financeiros do quarto trimestre e do ano completo de 2024. O prejuízo líquido foi de US$ 45,4 milhões, ou US$ 0,55 por ação, muito maior que os US$ 18,9 milhões registrados no quarto trimestre de 2023. 

A receita diminuiu para US$ 30,6 milhões, e as despesas de pesquisa e desenvolvimento aumentaram para US$ 48,6 milhões durante esse período.

No final de 2024, a empresa possuía US$ 269,9 milhões em caixa, equivalentes de caixa e valores mobiliários, ligeiramente melhor que no final do trimestre anterior. Conforme o comunicado da empresa, espera que esses recursos, juntamente com as parcelas retidas dos pagamentos devidos sob seu acordo de licenciamento com a Vertex Pharmaceuticals (VRTX ), financiem tanto as despesas operacionais quanto os investimentos de capital até o segundo trimestre de 2027.

Para o ano completo de 2024, o prejuízo líquido foi de US$ 237,1 milhões, ou US$ 2,88 por ação, as receitas de colaboração diminuíram para US$ 32,3 milhões, as despesas de P&D aumentaram para US$ 199,2 milhões, as despesas gerais e administrativas aumentaram para US$ 72 milhões, e as despesas de reestruturação foram de US$ 12,2 milhões.

As conquistas recentes da empresa incluem a demonstração de prova de conceito pré‑clínica (PoC) em camundongos humanizados e primatas não humanos.

Esta CTO Linda C. Burkly, Ph.D., disse que demonstra a capacidade da empresa de “alcançar edição genética in vivo via regulação ascendente de genes para aumentar o nível de uma proteína funcional e tratar doenças causadas por perda de função ou mutações deletérias.” Ela ainda compartilhou o potencial da estratégia de regulação ascendente de genes em múltiplos tecidos com o programa ‘plug ‘n play’.

A Editas também informou que está no caminho certo para anunciar um candidato de desenvolvimento in vivo para Células‑tronco Hematopoéticas e células hepáticas em meados de 2025, e até o final do ano pretende divulgar mais dados pré‑clínicos in vivo de HSC e fígado.

Em meio a isso, a empresa encerrou seu programa reni‑cel para tratar a doença falciforme (SCD) após sua busca extensiva não conseguir um parceiro comercial. Com essa medida, a empresa iniciou ações de redução de custos, reduzindo seu quadro de funcionários em 65 %, cerca de 180 vagas.

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Conclusão

Na última década, as tecnologias baseadas em CRISPR revolucionaram a biotecnologia ao possibilitar a edição do genoma. Elas criaram diversas novas oportunidades para a pesquisa biomédica, edição terapêutica do genoma e do epigenoma. 

No entanto, as abordagens atuais enfrentam limitações devido ao foco desproporcional em um único efetor Cas9 com eficiência seletiva e especificidade de direcionamento restrita. 

A descoberta de novos sistemas CRISPR‑Cas marca um grande avanço na edição genética. Ao expandir a precisão, eficiência e versatilidade das tecnologias atuais, o estudo mais recente promete tratamentos mais direcionados para distúrbios genéticos e resultados agrícolas aprimorados. Com os pesquisadores refinando esses sistemas, uma vez que eles sejam adotados no mundo real, a próxima geração de edição genética poderá abrir novas fronteiras na medicina e biotecnologia!

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