Más rápido, más barato, CRISPR: la nueva revolución de la tecnología genética Understand article

Traducido por Pilar Bustos-Sanmamed. Una controvertida y nueva tecnología hace que editar genes sea mucho más barato y fácil-¿demasiado fácil quizás?

Imagen cortesía de Nicola Graf

Estás tecleando una frase y te das cuenta de que has escrito mal una letra. El error puede alterar el significado de la frase, de forma que diriges el cursor hacia la letra incorrecta, presionas la tecla de retroceso e introduces la letra correcta. Esta es una tarea extremadamente sencilla. Curiosamente, esto tan simple está siendo actualmente replicado en los laboratorios, con los científicos en el papel de autores y el ADN como el mensaje que hay que modificar.

Ésta es la realidad ofrecida por CRISPR-Cas9, una nueva tecnología que ha sido recibida por la comunidad científica como la revolución de los últimos años. Al igual que los avances biomédicos importantes, ahora está dando lugar a algunos problemas complicados. De hecho, se ha generado tanta cobertura mediática debido a esta controvertida tecnología que los profesores de ciencias pronto tendrán que hacer frente a las  preguntas de los estudiantes sobre CRISPR-Cas9. De modo que, aquí facilitamos una guía rápida sobre que es CRISPR-Cas9 y por qué es tan importante.

¿Qué es CRISPR-Cas9?

CRISPR-Cas9 es un sistema que usan las bacterias para defenderse de los ataques de virus pero que recientemente ha sido explotado como una tecnología para cortar el genoma en un punto preciso. El sistema consta de dos componentes: CRISPR y Cas9. CRISPR significa “repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas” y hace referencia a la región del genoma en donde se repiten secuencias de ADN. Cerca de estas secuencias están los genes Cas, que codifican para enzimas esenciales del sistema. Una de ellas, Cas9, es una nucleasa- es decir, un enzima que corta ácido nucleico (ADN o ARN).

Cuando un virus ataca a una bacteria, inyecta su ácido nucleico en la bacteria, que responde produciendo enzima Cas para cortar en trozos el ácido nucleico del virus e incorporarlos en su propio genoma en la región CRISPR (figura 1). Esto le proporciona a la bacteria una inmunidad adquirida muy útil: la siguiente vez que un virus de la misma especie le ataque, las regiones CRISPR, a lo largo del ácido nucleico del virus, son copiadas a pequeñas moléculas de ARN. Estas pequeñas moléculas de ARN se unen en primer lugar a la enzima Cas9 y seguidamente, guían el complejo que se ha formado para unirse al ácido nucleico mediante la identificación de la secuencia complementaria. Después, Cas9 corta la secuencia de ácido nucleico que ha sido diana de forma que, el virus pierde su capacidad para secuestrar a la bacteria para su propia replicación.

CRISPR-Cas9: the bacterial defence mechanism
Figura 1: CRISPR-Cas9: mecanismo de defensa de la bacteria. A: enzima Cas9

1. Virus invadiendo células bacterianas; 2. Ácido nucleico procedente del virus se integra en el ácido nucleico de la bacteria en la región CRISPR; 3. Se forma CRISPR ARN; 4. CRISPR ARN se une a la enzima Cas9; 5. CRISPR ARN guía a la enzima Cas9 hacia el virus. Lo corta y destruye el genoma del virus.
Imagen cortesía de Nicola Graf

Figura 2: Edición de un gen
mediante CRISPR-Cas9.
A: secuencia dianan; B: ADN;
C: ARN guía; D: Cas9;
E: Nueva secuencia de ADN
1. El ARN guía se une a una
secuencia de ADN diana;
2. La enzima Cas9 se une al
ARN guía;
3. La enzima Cas9 corta
ambas cadenas de ADN;
4. El mecanismo de
reparación de la bacteria
introduce un nuevo ADN en
las hebras rotas,
reemplazando la secuencia
original de ADN.

Imagen cortesía de Nicola Graf

Pero ¿cómo se ha adaptado este sistema bacteriano para dar lugar a una nueva tecnología genética? En 2012, el equipo de Jennifer Doudna en la Universidad de California Berkeley, EEUU, y Emmanuelle Charpentier, entonces en la Universidad suiza de Umea, modificaron y unieron pequeñas moléculas de ARN en una sola molécula guía de ARN (figura 2). Conservando un extremo se podría unir a Cas9, pero las secuencias del otro extremo pueden aparearse con cualquier secuencia diana de ADN conocida. Con esta capacidad personalizada, CRISPR-Cas9 puede cortar de forma específica secuencias de ADN que se elijan. Poco después, el laboratorio de Feng Zhang en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, EEUU, llevó más lejos a la CRISPR-Cas9 mostrando su capacidad para inducir cortes precisos del genoma en humanos y ratones (Cong et al, 2013). Además, ajustaron Cas9 de forma que cortaría ADN de un modo ligeramente diferente, estimulando un mecanismo específico de reparación del ADN en las células. Esto significa que los investigadores insertaron de forma exitosa una nueva secuencia de ADN de forma precisa en un sitio de corte, reemplazando a la secuencia original (figura 2).

Con estos esfuerzos innovadores, CRISPR-Cas9 pasó a ser un buen tema sobre microbiología a una excitante herramienta de investigación que permite a los científicos editar genes para diferentes propósitos con una gran especificidad y facilidad.

¿Para qué se usa?

Para estudiar la función genética, los científicos a menudo intentan producir líneas celulares u organismos modelos en los cuales el gen de interés esté mutado o inactivado (una técnica conocida como silenciamiento génico). CRISPR-Cas9 proporciona una vía rápida y precisa para hacer esto. Además, la enzima Cas9 puede ser modificada de modo que pierde su habilidad para cortar el ADN pero conserva la habilidad de elegir una diana y unirse a secuencias específicas de ADN, guiada por el ARN. Esto permite el bloqueo físico de la unión de la ARN polimerasa, lo que permite a los científicos controlar la transcripción genética-el punto de inicio de la actividad genética.

Mientras que éstas suponen técnicas importantes en la investigación médica, CRISPR-Cas9 también puede aportar más aplicaciones en el cuidado de la salud. Los científicos también han usado la edición genética mediante CRISPR-Cas9 para romper las secuencias del VIH y prevenir la replicación del virus en líneas celulares humanas. Además ha sido usada para eliminar secuencias mutadas en ratas afectadas por distrofia muscular Duchenne, que provoca debilitamiento muscular, lo que implica esperanzas terapéuticas para los pacientes y las familias afectadas por ésta y otras enfermedades genéticas similares. Recientemente, embriones de cerdo han recibido una extensa edición genética usando CRISPR-Cas9 con la esperanza de proporcionar órganos más seguros para el trasplante en humanos.

De modo que si la edición se ha hecho en embriones de cerdo, ¿podría hacerse igualmente en embriones humanos? Esto, precisamente, fue lo que investigadores chicos hicieron en 2015, cuando estos mismos investigadores usaban CRISPR-Cas9 para modificar el gen de la β-talasemia en 86 embriones humanos (Cyranoski & Reardon, 2015). La técnica ha pasado de ser prácticamente ineficiente, a que la secuencia de ADN esté modificada de forma exitosa en menos de un cuarto de embrión. No obstante, la comunicación de este descubrimiento generó mucha controversia a causa de las implicaciones éticas.

Aspectos éticos- y futuro

Los aspectos éticos están relacionados no solo con la experimentación con embriones humanos, sino también con la controvertida ingeniería de líneas germinales. Con CRISPR-Cas9, es teóricamente posible hacer cambios en las células germinales (espermatozoides y óvulos), los cuales pueden ser transmitidos a la descendencia. Mientras que esta idea tiene un gran potencial para erradicar las enfermedades genéticas, también pone en relieve la pregunta de qué modificaciones deben ser permitidas como un tratamiento médico en el futuro. ¿Podrían rasgos como la inteligencia o el color de los ojos ser considerados apropiados para la mejora médica? Estos temores pueden parecer extravagantes, pero hay otra preocupación: la ingeniería de las líneas germinativas podría tener efectos completamente inesperados e irreversibles en las generaciones futuras. Esto es particularmente relevante puesto que las investigaciones genéticas recientes han encontrado que las interacciones entre genes y otros mecanismos hereditarios son mucho más complejos que lo que se pensaba inicialmente.

Estos aspectos no han escapado de la atención de los científicos. Algunos están de acuerdo con que la ingeniería de las líneas reproductoras es tan controvertida como las minas terrestres y creen que cualquier investigación sobre CRISPR-Cas9 usando embriones humanos deben de detenerse. Otros, sin embargo, creen que una total moratoria no solo sería difícil de aplicar sino que también impediría el avance en investigación. A pesar de estos diferentes puntos de vista, la comunidad científica parece haber optado por el diálogo y la transparencia como el camino a tomar, como se ha demostrado en las cumbres y reuniones sobre este tema en todo el mundo.

Mientras, el desarrollo de CRISPR-Cas9 continúa avanzando. Las compañías farmacéuticas están investigando en esta tecnología para favorecer el desarrollo de los medicamentes y los fallos técnicos están siendo corregidos y mejorados- mientras que una fuerte disputa por la patente está dejando fuera a los pioneros de la técnica (Doudna/Charpentier y Zhang). Independientemente de lo que ocurra, el desarrollo meteórico de CRISPR-Cas9 acaba tan solo de empezar.

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References

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Author(s)

Horace Chan ha completado recientemente su máster en Biología Molecular y Celular en la Universidad de Heidelberg, Alemania. Actualmente es un comunicador interno en el Centro Alemán de Investigación del Cáncer, Heidelberg y, ha contribuido anteriormente con artículos para Asian Scientist, una revista on-line que muestra investigaciones de la región Asia-Pacífico.


Review

CRISPR-Cas9 es una poderosa herramienta para editar genes similar a un GPS. Tiene el potencial para abrir las puertas a muchas aplicaciones científicas, médicas y en agricultura. La relativa simplicidad y el bajo coste de la técnica conllevan importantes aspectos éticos. También ha implicado un gran pleito entre científicos sobre la importancia de los derechos de patente.

El artículo describe claramente la identificación de repeticiones palindrómicas como una base del sistema de defensa bacteriano para su aplicación en la herramienta programable de edición genética CRISPR-Cas9. El artículo puede usarse para explicar, acompañándolo con animaciones, las técnicas de biología molecular implicadas y porqué CRISPR-Cas9 ha reemplazado rápidamente los métodos de edición genética. Puede suponer también las bases para el debate de los aspectos éticos sobre la edición de las líneas germinales y la propiedad intelectual. Entre las preguntas de comprensión del artículo se pueden incluir:

  • ¿Qué significa CRISPR?
  • ¿Cómo funciona CRISPR-Cas9?
  • ¿Qué tipo de enfermedades pueden tratarse usando CRISPR-Cas9?
  • ¿Qué riesgos potenciales tiene el uso de CRISPR-Cas9?
  • ¿Cuáles son los aspectos éticos en torno al uso de CRISPR-Cas9?
  • ¿Quién debería recibir el Premio Nobel por el descubrimiento de CRISPR-Cas9?

Mary Brenan, Concord College, Reino Unido




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