El poder de la edición genómica

Agustino Martínez Antonio

Departamento de Ingeniería Genética, Cinvestav Unidad Irapuato

¿Usted se ha preguntado si en un futuro cercano se podrán corregir, de manera precisa, enfermedades como las cataratas, padecimientos dermatológicos, distrofia muscular, cánceres, anormalidades de las hemoglobinas o alteraciones metabólicas como tirosinemia? Todo apunta a que la respuesta será afirmativa y esto gracias a la nueva herramienta molecular de edición genómica conocida como CRISPR-Cas.

Vamos por partes; la edición genómica se refiere al proceso de cambiar, quitar o adicionar pares de nucleótidos en los genomas, que tendría como resultado eliminar, corregir o añadir características a un organismo.

Con objeto de hacer posible lo anterior se requiere, por un lado, de la investigación experimental para identificar cuál es la secuencia genética que se intenta corregir, por ejemplo, en una enfermedad que se deba a cambios en uno o pocos nucleótidos en determinado gen (mutación génica). Esto implica que también se debe conocer la composición del gen que está bien y que no causa el padecimiento.

Con esta información se tiene la certeza de qué componentes del genoma se corregirán para revertir dicha condición. En la actualidad se sabe de varios males asociados a un solo gen y estos son los más fáciles de corregir por edición genómica, a diferencia de aquellos que están asociados a muchos genes y ambientes, conocidos como enfermedades multifactoriales.

Por otro lado, se requiere de instrumentos moleculares para hacer dicha edición y aquí es donde toma relevancia el kit de herramientas conocido como CRISPR-Cas, del inglés: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats y que en español sería: Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas –entendiéndose por palíndromo una frase que se lee igual de derecha a izquierda y viceversa−. Mientras que el término Cas proviene de CRISPR associated genes (genes asociados a).

Usted se preguntará ¿en qué consiste y cómo funciona? Primero nos avocaremos a describir brevemente cómo es que los investigadores se dieron cuenta de su existencia, luego en cómo se aplica y sus potencialidades.

El inicio de la historia de CRISPR-Cas se ubica en 1987, cuando un grupo de investigadores japoneses reportaron una serie de secuencias cortas repetidas colindantes a un gen que codifica para una enzima amino-peptidasa, objeto de su estudio. Gradualmente se siguieron reportando hallazgos de secuencias repetidas en otras bacterias y sobre todo, en arqueo-bacterias.

Pocos años después, con la disponibilidad de secuencias genómicas completas, se dieron cuenta que estas repeticiones estaban presentes en muchos genomas y que tenían en su vecindad series conservadas para proteínas con función desconocida. Además, entre éstas había fragmentos de Ácido Desoxirribonucleico, parecidos a ciertas regiones de ADN de virus y de plásmidos (pequeños fragmentos de ADN circulares que sirven, entre otras cosas, para transferir genes de resistencias a antibióticos entre bacterias). Con lo anterior, se propuso la hipótesis de que dichas secuencias pudieran ser un sistema de protección contra virus (inmunidad).

Se puede escuchar algo raro, pero las bacterias también son infectadas por virus, y en un proceso evolutivo de protección contra éstos, han desarrollado herramientas para cortar el ADN extraño. Las primeras “tijeras moleculares” identificadas fueron las enzimas de restricción y la más reciente, la CRISPR-Cas. Retomando el punto, en 2011 los investigadores no tardaron en comprobar la hipótesis de que este sistema funciona como protección contra virus y que, además, cuando este sistema de secuencias repetidas y sus genes aledaños son transferidos a otras bacterias muy diferentes, también brindan protección al ser expuestas a estos virus.

A partir de entonces se desencadenaron rápidamente una serie de investigaciones. Por ejemplo, en 2012 dos equipos liderados por Jennifer Doudna en Berkeley, Estados Unidos y Emmanuelle Charpentier en Suiza, demostraron que se puede diseñar y modificar in vitro, fuera de un organismo, el sistema de Streptococcus pyogenes para dirigir a voluntad en qué parte de una secuencia se quiere cortar. En menos de seis meses se demostró que estas herramientas se pueden usar para editar genomas de bacterias, así como de células humanas, con lo que se abrió la gran posibilidad de editar cualquier genoma y hacer varios cambios al mismo tiempo. Desde entonces se han tratado un gran número de enfermedades en modelos animales y se han modificado atributos de plantas, bacterias, levaduras, microalgas, entre otros organismos.

Ahora describiremos en qué consiste el sistema CRISPR-Cas. Este sistema está constituido en su versión más simple (diseñada y modificada por el ser humano) por una proteína y una molécula de Ácido Ribonucleico (ARN); la versión natural puede incluir más de una enzima nucleasa (la más común de las cuales es Cas-9) y dos moléculas de ARN que se complementan en uno de sus extremos.

La proteína es una enzima nucleasa que hace un corte en la doble cadena de ADN. El ARN tiene dos propósitos: por un lado, posee un sitio de unión a la enzima nucleasa y por el otro tiene un sitio de reconocimiento al ADN que se quiere modificar, reemplazar o eliminar. De tal manera que el ARN guía dirige a la nucleasa al sitio en el ADN a ser cortado, y una vez hecho el corte entra en acción el sistema de reparación celular por un sistema de recombinación homóloga o no homóloga. En el primer caso resulta que se pueden insertar fragmentos definidos de ADN (inserción o reemplazo de genes) y en el segundo caso da lugar a la interrupción o mutación de genes.

El resultado es que se pueden alterar secuencias de los genomas de manera muy precisa logrando cambios genotípicos exactos. Existen varios aspectos de la tecnología que aún requieren mejorarse, por ejemplo: a veces se llegan a modificar sitios adicionales que no se esperan y el sistema en ocasiones sigue funcionando más allá de lo previsto. Lo impresionante es que con la edición genómica se pueden reparar y modificar caracteres.

Científicos chinos están editando genomas en embriones humanos y tienen el visto bueno de sus comisiones de ética para su implantación, por lo que son los más avanzados en el uso de esta tecnología, sobre todo, para curar algunos tipos de cáncer donde los tratamientos conocidos no han funcionado. En este sentido, la sociedad debe estar informada para estar consciente de lo que implica su uso y alcances.

Bibliografía

Ishino, Y., Shinagawa, H., Makino, K., Amemura, M., & Nakata, A. (1987). Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product. Journal of Bacteriology, 169(12), pp. 5429-5433.

Sapranauskas, R., Gasiunas, G., Fremaux, C., Barrangou, R., Horvath, P., & Siksnys, V. (2011). The Streptococcus thermophilus CRISPR/ Cas system provides immunity in Escherichia coli. Nucleic acids research, gkr606.

Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2012). A programmable dual-RNA–guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science, 337(6096), pp. 816-821.

Cong, L., Ran, F. A., Cox, D., Lin, S., Barretto, R., Habib, N., & Zhang, F. (2013). Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systems. Science, 339(6121), pp. 819-823. Mojica, F. J., & Montoliu, L. (2016). On the Origin of CRISPR-Cas Technology: From Prokaryotes to Mammals. Trends in Microbiology.

Fuente: Revista Avance y Perspectiva

Etiquetas: ADN, genes, proteína, ARN, CRISPR-Cas, edición genómica, tirosinemia, padecimientos dermatológicos, enzima nucleasa

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