CRISPR/Cas9: Prêmio Nobel de Química 2020

Em outubro de 2020, o mundo conheceu os vencedores do prêmio Nobel de química de 2020: duas cientistas, Dra. Jennifer Doudna e Dra. Emmanuelle Charpentier, foram laureadas pelo desenvolvimento de uma técnica de edição de genes chamada CRISPR/Cas9 (1). 

Em um artigo publicado na revista Science (2), em 2012, elas demonstraram que o CRISPR/Cas9, um mecanismo presente no sistema imunológico de bactérias – poderia  ser utilizado para editar o DNA humano in vitro.

Logo após essa publicação, laboratórios (e indústrias) no mundo todo passaram a explorar essa técnica em suas pesquisas, com diferentes aplicações.

O campo para uso do CRISPR/Cas9 é vasto, tanto para humanos quanto para animais e plantas. Muitas indústrias agrícolas, por exemplo, já estão desenvolvendo sistemas de controle de pragas, ou melhoramento de plantas (3).

Muito tem sido falado sobre essa técnica em todo o mundo. O CRISPR/Cas9, de fato, revolucionou a pesquisa científica na medicina e a genômica por ser um método de manipulação genética simples, versátil e preciso. Mais do que uma ferramenta de pesquisa, o CRISPR/Cas9 é uma esperança para muitas doenças genéticas finalmente terem um tratamento.

Mas o que é o CRISPR/Cas9 e por que se fala tanto dessa técnica?

 

O CRISPR/Cas9

O CRISPR/Cas9 (sigla para Conjunto de Repetições Palindrômicas Regularmente Espaçadas em associação com a nuclease Cas9, em inglês) é o nome de uma técnica de biologia molecular capaz de editar (remover, adicionar, trocar) sequências de DNA localizadas em qualquer região do genoma. Essa técnica é baseada em um sistema de memória imunológica presente nas bactérias, usado para protege-las de invasões por vírus (2,3,4).

O sistema CRISPR/Cas9 consiste em duas moléculas:

• Cas9: uma enzima (nuclease) que atua como um par de “tesouras” que pode cortar as duas fitas do DNA em um local específico no genoma.
• RNA guia (gRNA): um pequeno pedaço de sequência de RNA (com cerca de 20 bases de comprimento) localizada dentro de uma estrutura de RNA mais longa. Essa molécula de RNA “guia” a Cas9 para a parte do genoma que deverá ser cortada.

 

E como o sistema atua?

Conhecendo previamente uma sequência no DNA que se quer alterar (como, por exemplo, uma mutação que causa uma doença), o gRNA é ‘fabricado’ para se ligar (ser complementar) a essa região específica. O gRNA leva a Cas9 até essa sequência complementar, que é então cortada. Logo, o sistema de reparo de DNA, que é natural e intrínseco, ‘conserta’ a região que foi cortada acrescentando a(s) base(s) que foi(ram) removida(s) (2,3,4).

Utilizando o sistema CRISPR/Cas9 é possível induzir o sistema de reparo do DNA. Dessa forma, o sistema é capaz de reparar, silenciar e reprimir genes, entre outras alterações genômicas.

 

Edição do DNA e o tratamento de doenças

O CRISPR/Cas9 tem um enorme potencial para ser usado como ferramenta no tratamento de diversas doenças que possuem causa genética, como câncer e doenças monogênicas, e doenças infecciosas, como hepatite B e o HIV, por exemplo.

 

Câncer

O câncer é causado pelo acúmulo de alterações genéticas que levam a multiplicação desordenada das células formando um tumor. Existem vários fatores genéticos já identificados relacionados com a predisposição a desenvolver um tumor, com o local do crescimento do tumor, o seu tamanho e sua malignidade.

Estudos têm o aplicado sistema CRISPR/Cas9 para editar ou remover mutações em genes (oncogenes e proto-oncogenes) que causam essa proliferação celular descontrolada e podem resultar eventualmente em um câncer (5).

Outros estudos têm utilizado o sistema para entender fatores que desencadeiam o crescimento do tumor (tumorigênese) e sua malignidade para selecionar genes alvo para tratamento do câncer a partir de terapia gênica (5).

Além da terapia gênica focada nas alterações que promovem o câncer, resultados promissores foram vistos em estudos clínicos que utilizaram o CRISPR/Cas9 para imunoterapia de pacientes com câncer. Esses estudos retiraram células imunológicas do paciente com câncer (células T ou CAR-T), alteram essas células in vitro utilizando o  CRISPR/Cas9 e depois as reintroduziram no organismo do paciente. Os resultados foram positivos, mostrando que as células do sistema imune do paciente conseguiram rejeitar os tumores (6, 7).

 

Doenças infecciosas

O sistema CRISPR/Cas9 foi originalmente descoberto como um mecanismo de defesa de bactérias contra a invasão de vírus. Logo, é uma ferramenta que naturalmente demonstra ser promissora no tratamento de doenças infecciosas (2).

Vários estudos em células-tronco demonstram o potencial protetor do gene CCR5 contra o vírus HIV: alterações nesse gene conferem resistência à infecção pelo vírus (8, 9).

Em 2018, uma notícia percorreu todas as mídias: um cientista chinês anunciou que duas bebês gêmeas nasceram após os embriões serem geneticamente modificados através da técnica de CRISPR/Cas9. Os embriões tiveram seu DNA editado, mais precisamente o gene CCR5, para que fossem resistentes ao vírus HIV. O cientista relatou que os bebês nasceram saudáveis e sem nenhuma sequela. Porém, a edição genética de embriões é um assunto controverso. O anúncio gerou diversas discussões mundiais e o cientista foi condenado (10).

Além da alteração de genes que conferem resistência ao vírus, o CRISPR/Cas9 se mostrou muito eficaz em um estudo que combinou a técnica de edição de genes com uma terapia anti-retroviral (ART) chamada LASER ART (Terapia Anti-retroviral de Longa Duração e Lenta Efetividade) (11).

A terapia combinada consiste em utilizar o LASER ART, que suprime a replicação do vírus lentamente no organismo e o CRISPR/Cas9 que consegue editar o genoma de células “reservatório” de vírus HIV, que por estarem latentes (“desativados”) não são afetadas pelo LASER ART. No estudo, os cientistas conseguiram eliminar o vírus HIV em ratos infectados (11).

Outras pesquisas exploram a aplicação terapêutica de CRISPR/Cas9 em várias outras doenças, incluindo o vírus influenza, Zika vírus, Dengue, vírus sincicial respiratório (VSR), herpesvírus (HSV) e o poliomavírus neurotrópico humano (JC) (12, 13, 14).

Além disso, várias infecções virais, como o vírus da hepatite B (HBV), o vírus Epstein-Barr (EBV) e o papilomavírus humano (HPV), estão relacionadas ao desenvolvimento alguns tipos de câncer, como câncer de fígado e de colo de útero. Diversos estudos também têm utilizado o CRISPR/Cas9 como estratégia para tratamento desses tipos de câncer, através da inativação do genoma do vírus ou pela inibição da sua replicação (15, 16, 17).

 

Doenças genéticas

A descoberta do sistema CRISPR/Cas9 revolucionou a engenharia genética e trouxe esperança para o tratamento e cura de muitas doenças. Além das aplicações descritas nos tópicos acima, atualmente, o CRISPR/Cas9 também tem sido utilizado em estudos visando o desenvolvimento de terapia gênica para diversas doenças genéticas. 

Diferentes estudos em camundongos demonstraram o potencial do CRISPR/Cas9 para corrigir surdez, Distrofia Muscular de Duchenne (DMD), Hemofilia e Deficiência da alfa1-antitripsina (18, 19, 20, 21).

Um exemplo promissor é a terapia baseada em transplante de células-tronco hematopoiéticas e progenitoras (HSPCs) corrigidas por CRISPR/Cas9 em pacientes com anemia falciforme e a beta talassemia, doenças causadas por mutações no gene da hemoglobina (HBB) (22, 23, 24). 

Através do CRISPR/Cas9 os cientistas conseguiram editar o gene HBB das células dos pacientes e recuperar a função normal da hemoglobina. Estudos clínicos estão sendo realizados para comprovar a segurança e eficácia desse tratamento (22, 23, 24).

 

Limitações 

De fato, o CRISPR/Cas9 é a grande esperança da medicina atualmente. Apesar desses (e outros) avanços que o CRISPR/Cas9 trouxe para o mundo e da rápida expansão dos estudos visando o desenvolvimento de novas terapias, muitas pesquisas ainda são necessárias para avaliar a eficiência e, principalmente, a segurança de utilizar essa técnica em humanos.

Estudos também demonstraram que, muitas vezes, o sistema CRISPR/Cas9 erra o alvo e acaba editando outras regiões do genoma. Esse acontecimento é chamado de “off-targets” (fora do alvo) e é um importante fator limitante do uso do CRISPR/Cas9 in vivo em humanos. Ainda é preciso entender como o sistema atua dentro do nosso organismo e quais as consequências de editar nosso genoma, para nós e para as futuras gerações.

Além disso, a edição do DNA levanta muitas questões éticas importantes. Comitês de ética do mundo todo têm discutido a aplicação da edição de genes em embriões. 

Obs: Para entender melhor como o sistema CRISPR/Cas9 atua, sugerimos esse vídeo. 

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Referências

1. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/
2. https://science.sciencemag.org/content/337/6096/816.full
3. El-Mounadi K, Morales-Floriano ML, Garcia-Ruiz H. Principles, Applications, and Biosafety of Plant Genome Editing Using CRISPR-Cas9. Front Plant Sci. 2020 Feb 13;11:56.
4. Sun, J., Wang, J., Zheng, D., & Hu, X. (2019). Advances in therapeutic application of CRISPR-Cas9. Briefings in Functional Genomics. doi:10.1093/bfgp/elz031
5. Jiang C, Meng L, Yang B, et al. Application of CRISPR/Cas9 gene editing technique in the study of cancer treatment. Clin Genet 2019. 
6. Stadtmauer EA, Fraietta JA, Davis MM, Cohen AD, Weber KL, Lancaster E, Mangan PA, Kulikovskaya I, Gupta M, Chen F, Tian L, Gonzalez VE, Xu J, Jung IY, Melenhorst JJ, Plesa G, Shea J, Matlawski T, Cervini A, Gaymon AL, Desjardins S, Lamontagne A, Salas-Mckee J, Fesnak A, Siegel DL, Levine BL, Jadlowsky JK, Young RM, Chew A, Hwang WT, Hexner EO, Carreno BM, Nobles CL, Bushman FD, Parker KR, Qi Y, Satpathy AT, Chang HY, Zhao Y, Lacey SF, June CH. CRISPR-engineered T cells in patients with refractory cancer. Science. 2020 Feb 28;367(6481):eaba7365. 
7. Garfall AL, Maus MV, Hwang WT, et al. Chimeric antigen receptor T cells against CD19 for multiple myeloma. N Engl J Med 2015;373:1040–7.
8.  Samson M, Libert F, Doranz BJ, et al. Resistance to HIV-1infection in caucasian individuals bearing mutant alleles of the CCR-5 chemokine receptor gene. Nature 1996;382:722–5
9.  Kang H, Minder P, Park MA, et al.CCR5 disruption in induced pluripotent stem cells using CRISPR/Cas9 provides selective resistance of immune cells to CCR5-tropic HIV-1 virus. Mol Ther Nucleic Acids 2015;4:e268.
10. https://www.sciencemag.org/news/2019/12/chinese-scientist-who-produced-genetically-altered-babies-sentenced-3-years-jail
11. Dash, P.K., Kaminski, R., Bella, R. et al. Sequential LASER ART and CRISPR Treatments Eliminate HIV-1 in a Subset of Infected Humanized Mice. Nat Commun 10, 2753 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-10366-y
12. van Diemen FR, Kruse EM, Hooykaas MJ, et al. CRISPR/Cas9-mediated genome editing of Herpesviruses limits productive and latent infections. PLoS Pathog 2016;12:e1005701.
13. Wollebo HS, Bellizzi A, Kaminski R, et al. CRISPR/Cas9 system as an agent for eliminating Polyomavirus JC infection.PLoS One 2015;10:e0136046.
14. Li Y, Muffat J, Omer Javed A, Keys HR, Lungjangwa T, Bosch I, Khan M, Virgilio MC, Gehrke L, Sabatini DM, Jaenisch R. Genome-wide CRISPR screen for Zika virus resistance in human neural cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019 May 7;116(19):9527-9532
15. Ramanan V, Shlomai A, Cox DB, et al. CRISPR/Cas9 cleavage of viral DNA efficiently suppresses hepatitis B virus. Sci Rep 2015;5: 10833.
16. Yuen KS, Chan CP, Wong NH, et al. CRISPR/Cas9-mediated genome editing of Epstein–Barr virus in human cells. J GenVirol 2015;96:626–36.
17. Sanchez-Rivera FJ, Jacks T. Applications of the CRISPR-Cas9 system in cancer biology. Nat Rev Cancer 2015;15:387–95.
18. Nelson CE, Wu Y, Gemberling MP, Oliver ML, Waller MA, Bohning JD, Robinson-Hamm JN, Bulaklak K, Castellanos Rivera RM, Collier JH, Asokan A, Gersbach CA. Long-term evaluation of AAV-CRISPR genome editing for Duchenne muscular dystrophy. Nat Med. 2019 Mar;25(3):427-432. 
19. Wang D, Zhang G, Gu J, et al. Vivo generated hematopoietic stem cells from genome edited induced pluripotent stem cells are functional in platelet-targeted gene therapy of murine hemophilia A. Haematologica 2019. pii: haematol.2019.219089. 
20. György B, Nist-Lund C, Pan B, Asai Y, Karavitaki KD, Kleinstiver BP, Garcia SP, Zaborowski MP, Solanes P, Spataro S, Schneider BL, Joung JK, Géléoc GSG, Holt JR, Corey DP. Allele-specific gene editing prevents deafness in a model of dominant progressive hearing loss. Nat Med. 2019 Jul;25(7):1123-1130. doi: 10.1038/s41591-019-0500-9. Epub 2019 Jul 3. PMID: 31270503; PMCID: PMC6802276.
21. Bjursell M, Porritt MJ, Ericson E, Taheri-Ghahfarokhi A, Clausen M, Magnusson L, Admyre T, Nitsch R, Mayr L, Aasehaug L, Seeliger F, Maresca M, Bohlooly-Y M, Wiseman J. Therapeutic Genome Editing With CRISPR/Cas9 in a Humanized Mouse Model Ameliorates α1-antitrypsin Deficiency Phenotype. EBioMedicine. 2018 Mar;29:104-111. 
22. Huang X,Wang Y, Yan W, et al. Production of gene-corrected adult beta globin protein in human erythrocytes differentiated from patient iPSCs after genome editing of the sickle point mutation. Stem Cells 2015;33:1470–9. 
23. Park SH, Lee CM, Dever DP, et al. Highly efficient editing of the beta-globin gene in patient-derived hematopoietic stem and progenitor cells to treat sickle cell disease. Nucleic Acids Res 2019;47(15):7955–7972. 
24. Song B, Fan Y, He W, et al. Improved hematopoietic differentiation efficiency of gene-corrected beta-thalassemia induced pluripotent stem cells by CRISPR/Cas9 system. Stem Cells Dev 2015;24:1053–65.