Caracterización funcional y aplicación biotecnológica de nuevos sistemas CRISPR–Cas identificados en ambientes naturales de la provincia de Alicante

Abstract

Los sistemas de defensa de procariotas denominados CRISPR–Cas dan lugar a la formación de un complejo nucleoproteico compuesto por proteínas Cas y un ARN guía derivado de las regiones CRISPR que se encarga de interferir en la propagación de elementos genéticos móviles a través de la degradación mediada por nucleasas Cas de secuencias foráneas que coinciden con los ARN guía. La fácil reprogramación de la guía ha propiciado el desarrollo de un arsenal de herramientas para la modificación y manipulación de ácidos nucleicos, cuyas aplicaciones superan con creces la utilización implementada inicialmente para la proteína Cas9 de Streptococcus pyogenes como editor del ADN. En un intento de paliar las limitaciones encontradas en el uso de la Cas9 de S. pyogenes, que sigue siendo la herramienta CRISPR más empleada, el repertorio de nucleasas Cas disponibles ha aumentado considerablemente en los últimos años, en particular las pertenecientes a la clase 2. La actividad de corte inespecífico fuera de la diana, el requerimiento de un motivo concreto adyacente a la diana y su gran tamaño, que limita su administración celular, han motivado la búsqueda de nuevas nucleasas en datos genómicos y metagenómicos, así como la generación de variantes derivadas de proteínas nativas mediante evolución dirigida o ingeniería de proteínas. En la presente tesis, llevamos a cabo una búsqueda de sistemas CRISPR–Cas de clase 2 a partir de 10 metagenomas provenientes de tres ambientes previamente inexplorados en este sentido, dando como resultado la identificación de 107 sistemas pertenecientes a alguno de los subtipos descritos hasta la fecha. El análisis de las características de las proteínas Cas encontradas y su relación evolutiva con otras ortólogas empleadas en edición genética nos llevó a la selección de 9 candidatas para su caracterización funcional. Entre todas ellas, la proteína EH6Cas9 mostró actividad nucleasa sobre secuencias diana de ADN en E. coli, adyacentes al motivo 5’-NGG-3’. Con el fin de desarrollar una nueva herramienta de biología molecular, la simplificación del sistema nos llevó a diseñar un ARN guía sintético compatible con EH6Cas9. La caracterización bioquímica de la herramienta demostró que EH6Cas9 es una ADNasa metal dependiente, programable mediante guías de ARN, que muestra su máxima actividad frente a dianas adyacentes a la secuencia consenso 5’-NGGDT-3’ a temperaturas entre 25 °C y 37 °C. Finalmente, EH6Cas9 también demostró su aplicabilidad como herramienta de edición genética. En E. coli, EH6Cas9 mostró una gran eficacia como estrategia para la selección positiva de mutantes, mientras que en células de ratón indujo la formación de inserciones y deleciones en una secuencia diana, presentando características distintivas respecto a la Cas9 de S. pyogenes que la hacen especialmente indicada para aplicaciones de edición genética en eucariotas en las que se requiera una actividad nucleasa moderada y más restringida.