Ribozimas en RNAs circulares como herramienta biotecnológica para el silenciamiento génico y viral: una nueva aproximación contra el SARS-CoV2

Abstract

[ES] En el contexto de una pandemia mundial, ocasionada por el virus SARS-CoV2, que ha provocado más de cuatro millones de fallecidos en apenas más de un año, el surgimiento de nuevas estrategias terapéuticas para luchar contra la enfermedad es inevitable. En el presente trabajo se realiza una primera aproximación al uso de ribozimas en tándem en RNAs circulares como una nueva herramienta en biología molecular para el silenciamiento génico y como potencial fármaco contra la COVID-19: los recién denominados ScissCircs. Las ribozimas son RNAs con actividad catalítica que se encuentran diseminadas en numerosos genomas a lo largo del árbol de la vida. Entre las más destacadas encontramos al propio ribosoma, la Ribonucleasa P o la maquinaria de splicing de intrones entre otros. Sin embargo, existen otras igualmente destacables, como las ribozimas pequeñas de autocorte, de las cuales nos centraremos en dos de familias: las ribozimas cabeza de martillo o hammerhead (HHR) y las ribozimas twister (TwR). Estos ribozimas presentan un centro catalítico altamente conservado, donde se encuentra el sitio de autocorte, y estructuras secundarias y terciarias importantes para la eficiencia y velocidad de catálisis. La existencia de estas secuencias y estructuras consenso proporciona una vía biotecnológica al diseño de estas ribozimas para el corte en trans de otras cadenas de RNA diana. Los RNAs circulares con altamente estables y resistentes a exonucleasas y se han encontrado en gran cantidad dentro de células tanto procariotas como eucariotas, formando parte de elementos transponibles o agentes subvirales como intermediario de su replicación o participando en la regulación génica de la célula. Para cumplir los objetivos de este trabajo, se ha realizado inicialmente una búsqueda de dianas para las ribozimas HHR y TwR en dos secuencias de RNA diferentes. Por un lado, se han diseñado las ribozimas y la secuencia del ScissCirc para el virus y se han propuesto diferentes estrategias de abordaje al silenciamiento viral. Por otro lado, de la misma manera se han diseñado ribozimas para el RNA codificante de la proteína fluorescente eGFP y se han realizado experimentos in vitro para comprobar su corte y caracterizar su cinética y condiciones óptimas. Los resultados obtenidos han permitido confirmar el corte del RNA catalítico diseñado sobre su diana. Además, la estrategia propuesta para la circularización del RNA también ha resultado exitosa. Estos primeros pasos sientan las bases para continuar con la investigación de estas nuevas herramientas biotecnológicas que, una vez optimizadas, podrían usarse como herramienta fundamental en biología molecular y como posible fármaco para infecciones virales, enfermedades de base genética o, incluso, la lucha contra el cáncer.

[EN] In a global pandemic caused by SARS-CoV2, which has caused more than four million deaths in just over a year, the emergence of new therapeutic strategies to fight the disease is inevitable. In this project, a fist approach is made to the use of tandem ribozymes in circular RNAs as a tool in molecular biology for gene silencing and as a potential drug against COVID-19: the so-called ScissCircs. Ribozymes are catalytic RNA structures found in numerous genomes throughout the tree of life. Among the most outstanding are the ribosome itself, the ribonuclease P or the splicing machinery of introns among others. However, there are other equally noteworthy ribozymes, such as the small self-cleaving ribozymes, of which we will focus on two families: the hammerhead ribozymes (HHR) and the twister ribozymes (TwR). These ribozymes have a highly conserved catalytic center, where the self-cleavage site is located, and secondary and tertiary structures important for catalysis efficiency. The existence of these consensus sequences and structures provides a biotechnological pathway to the design of these ribozymes for the cleavage in trans of other RNA targets. Circular RNAs are highly stable and exonuclease resistant, and they have been found in large amounts within both prokaryotic and eukaryotic cells, forming part of transposable elements or sub-viral agents, as an intermediary of their replication, or participating in important processes such as the genetic regulation of the cell. To meet the objectives of the project, we initially searched for the potential target sites of the HHR and TwR in two different RNA target sequences. On the one hand, the ribozymes and the ScissCirc sequence against the SARS-CoV2 virus have been designed and different strategies have been proposed to address viral silencing. On the other hand, ribozymes have been designed against the RNA encoding the fluorescent protein eGFP, and in vitro experiments have been carried out to test its cleavage and characterize its kinetics and optimal conditions. According to the results obtained, it was possible to verify the cleavage of the target mRNA using the designed catalytic RNA. In addition, the proposed strategy for the circularization of the RNA has also been successful. These first steps form the basis for continuing research into these new biotechnological tools that, once optimized, could be used as a fundamental tool in molecular biology and as a potential drug for viral infections, genetic based diseases or even the fight against cancer.