El poder de la edición genómica

 Agustino Martínez Antonio

Departamento de Ingeniería Genética

Cinvestav Unidad Irapuato

agustino.martinez@cinvestav.mx

¿Usted se ha preguntado si en un futuro cercano  se  podrán  corregir,  de  manera precisa, enfermedades como las cataratas, padecimientos  dermatológicos,  distrofiamuscular,  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 comoresultado 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 rever-tir  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  comoenfermedades multifactoriales.

Por  otro  lado,  se  requiere  de  instrumentos  mo-leculares 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 –en-tendiéndose 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 describirbrevemente cómo es que los investigadores se die-ron 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 japo-neses reportaron una serie de secuencias cortas repetidas colindantes a un gen que codifica parauna 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  desecuencias genómicas completas, se dieron cuen-ta 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  frag-mentos de Ácido Desoxirribonucleico, parecidos a ciertas regiones de ADN de virus y de plásmidos (pequeños  fragmentos  de ADN  circulares  quesirven, 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 pro-ceso evolutivo de protección contra éstos, handesarrollado  herramientas  para  cortar  el ADN extraño.  Las  primeras  “tijeras  moleculares”  iden-tificadas 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 ge-nes  aledaños  son  transferidos  a  otras  bacterias  muy diferentes, también brindan protección al ser expuestas a estos virus.

A partir de entonces se desencadenaron rápi-damente una serie de investigaciones. Por ejem-plo, 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 queestas herramientas se pueden usar para editar ge-nomas 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 as-pectos de la tecnología que aún requieren me-jorarse, 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  enembriones  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.

Bibliogra

fíaIshino, 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. Cinvestav”

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