La historia de CRISPR-Cas: construyendo seres humanos a la carta

Apartados de este artículo:

  • Introducción. Las tijeras del genoma. ¿Cuando y como se han descubierto? ¿Qué son y cómo funcionan? Aplicaciones iniciales.
  • Los genes y cómo se editan. ¿Cómo funcionan los genes?
  • Enfermedades genéticas. Terapia génica y CRISPR.
  • Antes y después de CRISPR-Cas9. La revolución genética actual
  • Cuestión ética: ¿Curar enfermedades con terapia genética o mejorar seres humanos?
  • Actualidad y perspectiva: Futuro de la edición de genomas.

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Introducción

¿Quien iba a imaginar que la respuesta a la edición de nuestros propios genes podría estar en las bacterias? Es lógico que estos organismos a simple vista nos resulten sencillos, pero llevan en el planeta millones de años y los mecanismos adaptativos que han desarrollado a lo largo de todo un proceso evolutivo presentan, a dia de hoy, un problema y un reto para la medicina e investigación. Asimismo, y a pesar de su irónica sencillez, aún queda mucho por aprender de estos organismos. Hace apenas 2 décadas aún se estaba descubriendo algo nuevo sobre ellos.

En 1987 un grupo de científicos japoneses del grupo de Yoshizumi Ishino identificaron una estructura inusual que se encontraba cerca de una región específica del genoma de la bacteria Escherichia coli, una bacteria muy conocida que encontramos en la flora intestinal de muchos animales, seres humanos incluidos. La estructura estaba formada por segmentos de ADN repetidos y cada repetición estaba separada por un bloque llamado espaciador, cada uno de los cuales tenía una secuencia única. Esta peculiar estructura no se parecía a nada que los científicos hubieran visto antes, y para la época, las técnicas de secuenciación y análisis de genomas no estaban lo suficientemente avanzadas como para poder descifrar su significado y compararla con la de otras especies. Solo pudieron afirmar que el significado biológico de estas secuencias aún era desconocido.

Acababan de descubrir lo que más tarde se conocería con el nombre de CRISPR, en español, Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas, nombre que acuñó un científico español, Francisco J. Martinez Mojica. Prácticamente al mismo tiempo, este microbiólogo español estaba estudiando la respuesta a la salinidad de diferentes arqueobacterias cuando se encontró con estas mismas secuencias. Su investigación fue más allá a fin de intentar dar explicación a la presencia de estas estructuras de ADN que no eran exclusivas de E.coli sino que se encontraban en diferentes especies de bacterias y arqueas, lo que podría ser indicativo de un origen común o una mutación realmente favorable cuya amplia distribución de las secuencias en los genomas de los procariotas sugería una función biológica muy conservada y por lo tanto muy útil en estos organismos. Pero más adelante observó que muchas de esas secuencias en realidad pertenecían al material genético de algunos virus y plásmidos.

CRISPR comenzaba a ser popular. En 2002 Ruud Jansen y sus colaboradores identificaron una serie de genes que acompañaban a CRISPR y que codifican enzimas con características muy similares a las de las helicasas y las exonucleasas implicadas en la maquinaria de la expresión genética que eran capaces de cortar fragmentos de ADN, los Cas, de CRISPR Protein Associated, pero no supieron averiguar la relación entre ambos elementos.

Años más tarde se realizaron experimentos en los que se infectaron bacterias con virus bacteriofagos. Muchas de estas bacterias morían pero algunas desarrollaron una resistencia cuyos descendientes heredaban. Algo había tenido que cambiar en el genoma de las bacterias supervivientes y resistentes y esto resultó ser sorprendentemente los espaciadores que había entre las secuencias repetidas. Estos espaciadores ahora contaban con un nuevo fragmento del ADN vírico.

Con todas las piezas del puzle dispuestas, se llegó a la conclusión de que CRISPR  junto con la proteína asociada Cas y una secuencia de ARN guía, conformaban un sistema de defensa bacteriano adaptativo, algo parecido a una inmunidad adquirida modelada a lo largo de millones de años de existencia.

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¿Cómo funciona CRISPR-Cas?

El mecanismo, como se ha mencionado antes, tiene un funcionamiento similar al de la inmunidad adquirida en humanos.

Cuando el virus infecta a una bacteria, este actúa como un parásito intracelular que busca tomar el control de la maquinaria celular de la bacteria en este caso, para poder reproducirse ya que el virus carece de mecanismos que le permitan hacerlo por sí mismo. En este momento, el ADN del virus interactúa con la maquinaria de CRISPR/Cas y Cas corta un pequeño fragmento del ADN del virus, este corte lo inactiva, pero el fragmento queda incluido en forma de espaciador en las regiones de CRISPR que más adelante se transcribirán para dar lugar a proteínas Cas modificadas con una secuencia de ARN que le va a guiar específicamente a identificar y destruir el virus al cual pertenece esa secuencia complementaria. Es como si ahora las nucleasas Cas tuvieran una orden de búsqueda y captura.

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Las dos científicas Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier pensaron que este sistema podría ser modificado y utilizarse como herramienta a modo de tijeras especialmente dirigidas a cortar cualquier secuencia de ADN de cualquier especie e introducir en su lugar otros genes diferentes y crearon el sistema de edición genética CRISPR/Cas9. Esto marcó un punto de inflexión en la investigación desplegando todo un abanico de posibilidades.

Antes y después. La revolución genética

La diferencia de CRISPR/Cas9 con otros sistemas de edición genética como las enzimas de restricción que abrieron la puerta a la técnica del ADN recombinante y permitieron modificar el genoma de la bacteria E.coli para la creación de insulina humana radica en su especificidad a la hora de cortar un fragmento determinado. Al modificar el ARN guía con una secuencia concreta, le indicamos a Cas donde tiene que cortar.

CRISPR/Cas9 se ha estado usando desde hace varios años en investigación para generar ratones “avatar” a los cuales se les modifica el genoma introduciendo mutaciones con gran precisión. El tiempo de generación de estos modelos de experimentación que han probado ser útiles por ejemplo en el desarrollo de terapias personalizadas frente al cáncer, podría alargarse de 12 a 16 largos meses. Con ésta tecnología se acorta su producción, agilizando el proceso de investigación y sus resultados.

Uso para prevenir o curar enfermedades genéticas. Un paso más

adn2.pngLos genes son el manual de instrucciones para que los organismos fabriquen las proteínas que los constituyen y contienen toda la información que cada célula necesita para realizar sus funciones y estos contienen una secuencia específica de moléculas ( A, T, C, G )

La alteración de este orden produce mutaciones que en muchos casos pueden dar lugar a pequeñas diferencias, imperceptibles o incluso beneficiosas (Hay que recordar que la mutación es uno de los motores de la evolución). Pero también pueden ocasionar enfermedades genéticas raras que en su mayoría no tienen cura. En estos casos se tiene que recurrir a la terapia genética o directamente sustituir el gen mutado que produce la enfermedad, aquí es donde entran en escena las tijeras del genoma. De momento se ha logrado aplicar en técnicas ex vivo para el tratamiento del cáncer de pulmón.

Problemática asociada

Hace poco el científico chino He Jiankui afirmó haber creado los primeros embriones modificados genéticamente mediante el uso de CRISPR/Cas9 para resistir la infección con el virus del VIH. Concretamente se modificó un receptor de membrana presente en algunas células inmunitarias lo que impide que el virus las reconozca y las infecte. Después de la edición los embriones fueron implantados y han dado lugar a dos bebés (Lulu y Nana) aparentemente sanos y resistentes al virus.

Lo que podría verse como un hito en la ciencia resultó en una serie de errores legales y  burocráticos y que ponen de manifiesto la irresponsabilidad de usar esta herramienta en humanos en la actualidad.

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He Jiankui en la II Cumbre internacional sobre la Edición del Genoma Humano. Foto: EFE

La técnica se realizó sobre 2 embriones, es decir, se han modificado ambas líneas germinales (procedentes del óvulo y espermatozoide), de manera que afecta a todas las células que deriven de ellas incluida la propia descendencia del individuo. A diferencia de la edición de células somáticas, el cambio es irreversible y conlleva cometer una ilegalidad sobre el principio ético e internacional que gira entorno a la no alteración del genoma de la descendencia.

Aun falta mas avance en el conocimiento del genoma humano

La aplicación de esta técnica requiere un conocimiento extremadamente amplio sobre el genoma y cada gen que lo compone. Resulta muy complicado modificar un solo carácter fenotípico que puede depender de varios genes. Si no se conoce esto a la perfección, alterar el genoma puede causar más daño del que pretende remediar. La eficiencia en humanos debe de ser del 100% y no puede suponer peligro alguno.

Reacciones alérgicas

Los seres humanos hemos desarrollado inmunidad de forma natural frente a bacterias como Staphylococcus aureus y Streptococcus pyogenes. Nuestro organismo conoce muy bien a ambas, puesto que son capaces de provocar multitud de enfermedades comunes como las infecciones de garganta o conjuntivitis. El problema es que la nucleasa Cas9 procede de ellas y nuestro sistema inmune también reaccionaría de forma indeseada. Habría que hacer uso de inmunosupresores o encontrar otras nucleasas adecuadas que procedan de otra especie de bacterias.

No controlamos la reparación del ADN

Cuando la nucleasa corta las dos cadenas de ADN, enseguida se pone en marcha un sistema de reparación que intenta unir la hebra de nuevo, pero la reparación funciona de manera imprecisa como si tratara de rellenar el hueco con bases rápida y aleatoriamente de manera que se pueden introducir mutaciones no deseadas provocando tumores o incluso la muerte de la propia célula. Todo este proceso está mediado por p53, “el guardián del genoma”, una proteína capaz de desplegar un protocolo de emergencia en caso de daño en el ADN protegiendo nuestros genes como bien indica su nombre.

Por tanto las actividades opuestas de p53 y CRISPR entrarían en conflicto y las células con el gen de p53 mutado serían precisamente las que admiten las modificaciones y lograrían dividirse pero a riesgo de volverse tumorigénicas y es un alto precio a pagar.

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Cuestión de ética. La eugenesia en humanos

Una vez que se hayan solventado estos problemas…

¿Dónde situaremos el límite? ¿Se debería considerar una mejora genética el hecho de poder ser inmune a ciertas enfermedades?

El caso anterior se podría enmarcar dentro de las mejoras genéticas preventivas ya que se está dotando al individuo de un rasgo nuevo que posiblemente le permita adquirir inmunidad contra una enfermedad (aunque hay personas que han adquirido esta resistencia de forma natural). No es realmente una mejora genética “por capricho”, pero el uso de estas técnicas en estas condiciones está muy regulada y solo se permite en casos en los que no haya alternativa, contando con un amplio conocimiento sobre el gen que se desea modificar y siempre que haya evidencias clínicas de su uso con éxito.

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Perspectiva

Era inevitable que en algún momento se iba a dar el paso hacia la eugenesia. En este caso ha sido con Lulu y Nana, los primeros bebés a los que se les ha dotado de una edición genética, lo que acaba de proyectar un conflicto que aún no ha tenido tiempo de debatirse o regularse.

El conocimiento científico avanza rápidamente y se plantean nuevos debates donde el límite lo marca la ética. Tenemos una herramienta muy poderosa cuyos resultados son prometedores pero aún no sabemos lo suficiente como para poder utilizarla adecuadamente en seres humanos, sin riesgos y de manera precisa y eficaz. En un futuro cuando se haya avanzado en el conocimiento de nuestros genes y de las herramientas que podemos usar a nuestro favor quizá sea necesario marcar nuevos límites o dejarlo en manos de la propia evolución.

sandra.pngSandra de Alaiz

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Bibliografía


Montoliu, L. (2015). Las herramientas CRISPR: Un regalo inesperado de las bacterias que ha revolucionado la biotecnología animal. http://www.comunicabiotec.org

Charpentier, E., Doudna, J.A. (2013). Biotechnology: rewriting a genome. Nature 495:50-51

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC213968/?page=4 Descubrimiento secuencias

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1046/j.1365-2958.2000.01838.x Mojica.ADN externo (virus, plásmidos..)

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15791728

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11952905 Jansen. Nucleasas Cas

http://sitn.hms.harvard.edu/flash/2018/major-obstacle-crispr-cas9-preexisting-immunity/ Reacciones alérgicas, inmunidad

https://revistageneticamedica.com/2018/06/13/p53-y-crispr-cancer/ CRISPR y cáncer (p53)

https://elpais.com/sociedad/2014/04/29/actualidad/1398782707_412101.html Ratones avatar y quimioterapia personalizada

https://revistageneticamedica.com/2016/11/16/crispr-humanos-cancer-pulmon/ Tecnica ex vivo con CRISPR.Cáncer de pulmón.

 

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