CRISPR y células madre para descubrir cómo sobreviven las neuronas al estrés oxidativo

Amparo Tolosa, Genotipia

 

Investigadores de la Universidad de California San Francisco han identificado un nuevo mecanismo de protección de las células nerviosas al estrés oxidativo. A través de un rastreo con CRISPR destinado a determinar el efecto de activar o desactivar de forma individual miles de genes el equipo ha encontrado que la inactivación de una proteína lisosomal hace más sensibles a las neuronas al estrés oxidativo.

supervivencia neuronas
A través de un rastreo con CRISPR los investigadores han identificado un nuevo mecanismo de protección de las células nerviosas al estrés oxidativo. Imagen: Neuronas derivadas de células madre embrionarias. Anirvan Ghosh lab, University of California, San Diego, via CIRM.

Con excepción de las células reproductoras, todas las células del organismo de una persona comparten en esencia el mismo genoma. Sin embargo, no todas expresan los mismos genes. Los diferentes tipos celulares pueden mostrar patrones de expresión concretos, que reflejan la actividad de genes necesarios para su función y el silencio de genes cuya función no es necesaria ni esencial.

Identificar qué genes son necesarios en cada tipo celular y en cada situación puede proporcionar información relevante sobre los mecanismos que intervienen en diferentes enfermedades, así como proporcionar potenciales dianas para su tratamiento.

El equipo dirigido de la Universidad de California San Franciscoo dirigido por Martin Kampmann ha combinado la edición del genoma mediante CRISPR y la posibilidad de diferenciar células madre pluripotentes inducidas en cualquier tipo celular para rastrear qué genes son esenciales para las neuronas en un contexto de estrés oxidativo. Mediante esta estrategia, los investigadores buscaban identificar genes relevantes enfermedades neurológicas como el Alzhéimer u otras formas de demencia.

“Hay muchos estudios de genética humana que conectan genes específicos a enfermedades específicas” señala Martin Kampmann. “El trabajo que estamos haciendo puede proporcionar conocimiento a cómo los cambios en estos genes llevan a la enfermedad y permitirnos dirigirnos a ellos con tratamientos”.

CRISPR como herramienta de rastreo

En una primera fase, los investigadores han utilizado una plataforma basada en CRISPR para activar e inactivar de forma sistemática cientos de genes en neuronas obtenidas de células madre pluripotentes inducidas e identificar qué genes son necesarios para la supervivencia de las neuronas.

Los resultados muestran que algunos de los genes identificados son esenciales únicamente para las neuronas, mientras que otros también son necesarios en otros tipos celulares como las células del cáncer o las células madre. Además, los niveles de algunos de estos genes están muy regulados, ya que cualquier perturbación, que suponga una activación o inactivación, es negativa para la supervivencia de las células.

En una segunda fase, el equipo utilizó la plataforma basada en CRISPR para identificar qué genes son necesarios para las neuronas en condiciones de estrés oxidativo. En este caso, los investigadores destacan el papel de diversos genes relacionados con la incorporación del aminoácido selenocisteína a las proteínas y apuntan a que las neuronas podrían ser susceptibles a la ferroptosis (muerte celular programada por acumulación de peróxidos de lípido) en condiciones de estrés oxidativo.

Un nuevo mecanismo de protección frente al estrés oxidativo

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Neuronas derivadas de células madre pluripotentes inducidas. Imagen: National Center for Advancing Translational Sciences. CC BY 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/).

Los investigadores resaltan especialmente los resultados obtenidos respecto al gen PSAP que codifica para la proteína prosaposina. Esta proteína interviene en diferentes procesos biológicos y forma parte de los lisosomas, donde contribuye a digerir ciertos compuestos lipídicos. Kampmann indica que, a primera vista, nada indicaba que la prosaposina estuviera relacionada con las moléculas oxidativas. “Llamó nuestra atención porque el gen ha sido recientemente asociado a la enfermedad de Parkinson”, indica el investigador.

A partir de estudios funcionales, el equipo ha determinado que la inactivación de PSAP hace más sensibles a las neuronas al estrés oxidativo. La pérdida de prosaposina bloquea la degradación de esfingolípidos en los lisosomas e induce la acumulación de lipofuscina y hierro. En ausencia de antioxidantes, esta acumulación lleva a la muerte de las células por ferroptosis. Interesantemente, la acumulación de lipofuscina es una característica del envejecimiento asociada a diversas enfermedades neurodegenerativas. “A través de simplemente inactivar un único gen en tan solo días pudimos generar un rasgo del envejecimiento que normalmente tardas décadas en desarrollarse en el cuerpo humano”, señala Kampmann.

Resultados en neuronas, estrategia aplicable a otros tipos celulares

Los resultados del trabajo muestran que las neuronas tienen vulnerabilidades específicas y ofrecen una explicación a por qué la alteración de genes que se expresan en diferentes tipos celulares da lugar a enfermedades neurológicas. Estos genes, podrían ser especialmente relevantes para las células nerviosas.

La estrategia de combinar células madre pluripotenciales y cribado a través de herramientas CRISPR puede ser utilizada para investigar cómo afectan diferentes contextos a cada tipo celular y qué genes se expresan o son relevantes para la supervivencia celular en diferentes condiciones y tipos celulares.

Los investigadores han creado una base de datos, denominada CRISPRbrain, donde se pueden analizar los resultados obtenidos en el trabajo, así como resultados de otros cribados similares. Con esta base de datos, el equipo confía en crear una herramienta abierta que pueda ser utilizada para determinar funciones específicas de los genes en diferentes procesos biológicos humanos y en el desarrollo de enfermedades.

Dentro de los objetivos inmediatos del equipo de Kampmann está realizar análisis concretos en neuronas y otros tipos celulares derivadas de pacientes con mutaciones conocidas por su papel en enfermedades neurodegenerativas

Referencia: Tian, R., Abarientos, A., Hong, J. et al. Genome-wide CRISPRi/a screens in human neurons link lysosomal failure to ferroptosis. Nat Neurosci (2021). https://doi.org/10.1038/s41593-021-00862-0

Fuente: Reveals Surprising Ways Neurons Survive Oxidative Stress. https://www.ucsf.edu/news/2021/05/420576/full-genome-crispr-screen-reveals-surprising-ways-neurons-survive-oxidative

 

 

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