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La historia de CRISPR/Cas9

28/05/2019
Complejo CRISPR/Cas9: proteína Cas9 (azul), alrededor de una molécula de ADN (amarillo), formando complejo con una molécula de ARN guía (rojo). /Bang Wong, Instituto Broad Harvard y MIT (EE UU). Complejo CRISPR/Cas9: proteína Cas9 (azul), alrededor de una molécula de ADN (amarillo), formando complejo con una molécula de ARN guía (rojo). /Bang Wong, Instituto Broad Harvard y MIT (EE UU).

El descubrimiento de una técnica para cortar y pegar de manera precisa información genética guiará el devenir de la biotecnología en el siglo XXI. Patricia Marqués presenta aquí algunos apuntes sobre esta historia que hasta ahora comienza.

 

Por Patricia Marqués

 

Escuchar a Jennifer Doudna hablar sobre la tecnología de edición genética CRISPR/Cas9 es una experiencia emocionante. En un TED Talk de 2015, ella misma se emociona al comunicar cómo esta tecnología podría proporcionar la solución para un sinfín de enfermedades genéticas, incluidas cáncer, fibrosis quística, síndrome de Down y anemia falciforme.

La investigadora de la Universidad de Berkeley (EE UU) sabe de lo que habla. De hecho, fue ella quien co-desarrolló la técnica CRISPR/Cas9 junto a Emmanuelle Charpentier (jefa de grupo en el Instituto Max Planck en Alemania). Ambas merecieron por ello en 2015 el Premio Princesa de Asturias a la Investigación Científica y Técnica.

Pero hay que ser precavidos. A pesar de los importantes avances que se han logrado hasta ahora, CRISPR/Cas9 todavía necesita más estudios experimentales y desarrollo.

 

El origen

El acrónimo CRISPR proviene de Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas).

La segunda parte del nombre, Cas, se refiere a un grupo de proteínas del núcleo celular (nucleasas), que fueron nombradas así al descubrirse que estaban asociadas a CRISPR (CRISPR associated system).

El origen de CRISPR/Cas9 está en el sistema de defensa inmunitario de las bacterias ante los virus. Muchas bacterias tienen un sistema de defensa llamado CRISPR, que les permite detectar ADN viral y destruirlo. Para ello, estas bacterias cuentan con una proteína llamada Cas9 que, junto con un ARN guía (gARN), permite identificar, cortar y destruir la secuencia del ADN vírico.

En 2012, Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier publicaron en Science un trabajo que mostraba cómo Cas9 podría utilizarse a modo de herramienta de ingeniería genética. La promesa no era poca. Usando esta proteína, científicos de todo el mundo podrían eliminar o insertar secuencias de ADN en células de una manera precisa. Desde entonces, en laboratorios de todo el mundo se ha editado ADN en células de diversas especies, incluidos ratones y monos, así como en embriones humanos.

Un ejemplo del potencial de CRISPR/Cas9 para erradicar enfermedades genéticas ha sido publicado recientemente en la revista Nature. Una colaboración entre científicos de China y EE UU logró devolver la capacidad auditiva a los ratones Beethoven, cuya sordera se debe a un gen defectuoso. Con una inyección directa en el oído interno de la proteína Cas9 y gARN encapsulados en lípidos, estos animales mostraron una recuperación de la audición.

 

¿Cómo funciona?

Cuando un virus infecta una célula, lo hace inyectando su ADN. Si la infección vírica ocurre en una bacteria, el ADN del virus se inserta en los cromosomas del ADN de la bacteria, en un espacio determinado, llamado CRISPR, donde queda registrada la infección.

Este sistema de “vacunación” que hace la célula bacteriana marcando en su ADN la exposición a dicho virus, hace que adquiera inmunidad contra el mismo y la pase de una generación a otra.

El mecanismo de defensa inmune de las bacterias ya había sido descrito por Francisco Mojica, microbiólogo de la Universidad de Alicante. En el año 2003, Mojica descubrió que había fragmentos del genoma del virus de bacterias que llevaban a la bacteria a ser resistente a la infección, sentando las bases para el desarrollo de la herramienta CRISPR-Cas.

La estrategia defensiva CRISPR/Cas9 es altamente precisa. Tras la infección, la célula genera el ARN guía, que es simplemente una copia exacta del fragmento de ADN viral. Esta secuencia de ARN sirve como guía a la proteína Cas9 para la identificación del material genético del virus. Al tener secuencias complementarias, el ADN y el gARN pueden interaccionar entre sí. El proceso mediado por CRISPR/Cas9 finaliza cuando la proteína Cas9 corta la secuencia del ADN vírico, inactivando al virus.

Por otro lado, las células son capaces de reparar los cortes hechos en su información genética (ADN) y de introducir la secuencia necesaria para reconstruir el ADN cortado.

Con ambos mecanismos celulares se puede pensar en nuevos tratamientos genéticos. Una mutación genética que genera una enfermedad puede ser eliminada cortando y eliminado la secuencia responsable a la mutación, e insertando una secuencia correcta. Para ello, CRISPR/Cas9 ayudaría a corregir los defectos genéticos que residen en un gen defectuoso.

Aunque es una tecnología muy prometedora, CRISPR/Cas9 tiene aún cierta propensión a generar modificaciones de ADN no deseadas, debido a su capacidad de cortar ADN. Se han descrito una limitación importante derivada del hecho de que la especificidad del ARN guía no es completa, lo que haría que la proteína Cas9 cortase en sitios del ADN no deseado.


Últimos descubrimientos

En 2017, el grupo de Feng Zhang en el MIT (EE UU) volvió a darle un giro a la tecnología CRISPR-Cas, al publicar un trabajo en Science que muestra cómo se puede editar el ARN celular gracias a la proteína Cas13 una vez es asociada con la proteína ADAR.

El sistema fue llamado REPAIR (RNA Editing for Programmable Adenosine to Inosine Replacement). Esta nueva tecnología es capaz de corregir las mutaciones que causan enfermedades genéticas relacionadas con el ARN, remplazando eficazmente las bases Adenosina por las bases Inosina.

En una segunda versión mejorada de REPAIR, los investigadores consiguieron llegar a editar bases de ARN específicas con una eficiencia de entre el 20% y el 40%. En este estudio se sintetizaron de manera artificial mutaciones causantes de la anemia de Fanconi y de la diabetes insípida nefrógena, y las introdujeron en células humanas para posteriormente demostrar la capacidad de REPAIR en corregir con éxito estas mutaciones.

REPAIR también permite hacer modificaciones transitorias como tratamiento contra enfermedades genéticas, sin modificar de manera irreversible la información genética (es decir, sin modificar el genoma humano).

Sin embargo, hay que tener en cuenta que, al igual que CRISPR/Cas9, la estrategia REPAIR no es totalmente segura, ya que Cas13 también puede hacer modificaciones no deseadas en fragmentos del ARN. Por tanto resulta necesario hacer más avances en la investigación básica de REPAIR antes de su uso en pacientes.


Batalla por la patente

Como cabe esperar en un campo tan competitivo como la ingeniería genética, varios laboratorios trabajan sin descanso en el desarrollo de estas tecnologías. No es sorprendente por tanto que el desarrollo de CRISPR/Cas9 como herramienta de edición genética haya estado sujeto a una gran batalla legal entre el equipo de Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier y el de Feng Zhang por sus correspondientes patentes en CRISPR.

El grupo de Zhang patentó el uso de la tecnología CRISPR/Cas9 en células eucariotas. Es decir, dicha patente le daba derecho a usar CRISPR en ratones, monos, cerdos, etc., sin limitar su uso a las bacterias. Recientemente la oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos se pronunció a favor de Feng Zhang al concluir que su patente no representaba ninguna interferencia con la patente de Doudna-Charpentier, siendo esta última más amplia en la aplicación de CRISPR en ingeniería genética. Por el contrario, la Oficina Europea de Patentes falló a favor de Doudna-Charpentier. 

 


Patricia Marqués es doctora en química por la Universidad de Leiden (Países Bajos). Tras 2 años de postdoctorado en Leiden, fue galardonada con una beca IOF Marie Curie para llevar a cabo un proyecto de investigación en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (EEUU) y la Universidad de Utrecht (Países Bajos). Siempre interesada en seguir formándose, cursó un master en Nutrición y Salud por la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (Suiza) y actualmente es alumna del postgrado de la UAM en Comunicación Pública y Divulgación de la Ciencia.