La inminente revolución de la ingeniería genética basada en el sistema CRISPR/Cas

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Mientras la mayoría de nosotros nos encontrábamos preparando la cena de Nochevieja, la Revista Nature publicaba el pasado 31 de diciembre su tradicional artículo de predicciones en el que intenta adelantar las noticias científicas más importantes que nos encontraremos en este año. Entre las escogidas por Richard Van Noorden para este artículo, y salvo alguna noticia astronómica como el despertar de la Sonda Rosetta, destaca notablemente la abundancia de avances médicos que el editor de Nature ha seleccionado para su “What to expect in 2014”.

El inicio de los primeros test clínicos sobre regeneración con células madre pluripotenciales en pacientes ciegos, miniaturización de la tecnología para la secuenciación del ADN, avances en terapias contra el VIH, nuevos fármacos para el tratamiento de determinados cánceres como el melanoma avanzado, exoesqueletos controlados mediante la mente… las posibilidades que se abren ante nosotros en este 2014 son extensas y apasionantes.

Y no parece que haya que esperar mucho para estos impresionantes adelantos, porque precisamente uno de ellos apenas ha tardado unos días en hacerse realidad.

Es probable que, si sois aficionados a seguir la actualidad científica, esta semana os hayáis encontrado con la noticia del nacimiento en China de los primeros monos modificados genéticamente, que Nature adelantaba en sus predicciones y que el 30 de enero se hacía oficial en la Revista Cell. El nutrido equipo de investigadores que lo ha logrado pertenece a numerosas instituciones y universidades chinas, y han utilizado una novedosa técnica de manipulación genética basada en el sistema inmune CRISPR que corresponde a las siglas en inglés “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”.

A pesar de la gran importancia de esta publicación, hay que reconocer que ha pasado casi de puntillas por los grandes medios… es más, aquellos que se han hecho eco se han centrado más en la curiosidad de haber conseguido dos monos “transgénicos” (ejem, ejem) y casi todos, quizá por su complicado nombre, han olvidado el verdadero alcance de esta noticia: la técnica basada en CRISPR y el operón Cas9 asociado.

Todos los científicos que he consultado, incluidos algunos expertos en biotecnología, coinciden en que la influencia que CRISPR va a tener en un futuro podría ser colosal, incidiendo especialmente en terapias contra enfermedades de origen genético.

Pero vayamos paso a paso y, si me dedica unos minutos de su tiempo, le prometo que entenderá el verdadero alcance de esta técnica de edición genética, sus orígenes y las apasionantes posibilidades que abre en un futuro no muy lejano.

Descendamos por un momento a los niveles básicos de la vida: las células. Todo organismo viviente que conocemos está compuesto por ellas y su clasificación más elemental las divide en eucariotas y procariotas. Sé perfectamente que al lector le suenan estos conceptos de su paso por la escuela, en realidad no son muy difíciles, pero como seguramente le quedan muy lejos, vamos a recordar someramente en qué consisten.

Las células eucariotas poseen un núcleo celular, envuelto y delimitado por una envoltura, en donde guardan su información genética. Por su lado, las procariotas no tienen ese núcleo celular y la información de sus genes se encuentra más dispersa, conformando una estructura de forma irregular llamada nucleoide que no está envuelto como en las eucariotas. Así pues, para lo que nos atañe hoy, no le vamos a dar más vueltas y nos vamos a quedar con que las células eucariotas tienen un núcleo envuelto y protegido, mientras que los procariotas, no.

Esta “dispersión” del material genético en las procariotas, es decir en bacterias y arqueas, tiene sus ventajas y sus inconvenientes. El problema más importante al que tienen que hacer frente es el ataque a su precioso material genético por parte de su mayor y más mortal enemigo: los bacteriófagos (fagos).

Fagos contra bacterias, una guerra permanente desde hace millones de años

Fagos contra bacterias, una guerra permanente desde hace millones de años

La guerra entre bacterias y fagos es una de las batallas más increíbles de la historia de la vida. Los bacteriófagos y las procariotas se enfrentan día a día, desde hace miles de millones de años, y durante este tiempo han desarrollado una “carrera armamentística” apasionante.

Es una lucha ancestral entre un virus atacante y una bacteria que intenta defender su castillo en una pugna que, explicada de manera sencilla, se reduce a esto: Los fagos entran a saco en el interior de la bacteria, utilizan en su beneficio la maquinaria celular de la procariota infectada e introducen su propio material genético en el ADN de la pobre indefensa para reproducirse…

Los fagos, son muy eficaces, han tenido mucho tiempo para mejorar sus armas e incluso son considerados un tratamiento muy prometedor para las infecciones… así es, utilizamos virus para curarnos de las infecciones bacterianas .

Pero, un momento… ¿dije pobre bacteria indefensa? No vayamos tan rápido…

Se suele decir que dos no pelean si uno no quiere, y en esta antigua guerra entre fagos y bacterias, ellas tampoco se han quedado atrás desarrollando alucinantes estrategias de defensa. En esa defensa por mantener la integridad de su material genético frente al ataque de los fagos, las bacterias poseen una habilidad asombrosa para detectar, y posteriormente recortar y editar el material genético infectado.

Un mecanismo del sistema inmune de las bacterias por el cual son capaces de detectar la secuencia genética que el fago ha infectado, cortarla y sustituirla por fragmentos de ADN sanos y operativos, que además puedes dejar en herencia mediante ARN transmisor a la siguiente generación de bacterias.

A este fantástico modo de defensa, debemos añadirle una novedad evolutiva aún más alucinante, a la que los investigadores llaman CRISPR/Cas, y que consiste en incorporar en su propio ADN fragmentos del ADN exógeno con el objetivo de que sirvan de guía para evitar futuras invasiones. Y es además un mecanismo heredable que transmite tanto la capacidad de editar secuencias genéticas, como los beneficios de inmunización a las células “hijas”.

Imagina tener un programa de edición de ADN a tu disposición, al que además puedas incorporar secuencias defensivas, a modo de vacuna, para prevenir próximas invasiones… creo que ya te estás haciendo una idea de lo que puede significar. Si hace unos párrafos aprovechábamos la ferocidad de los virus fagos para desarrollar terapias contra bacterias, podría ser genial si pudiéramos utilizar este sistema natural de defensa de las bacterias en terapias genéticas reparadoras, ¿verdad?

Docenas de enfermedades de origen genético consisten en una alteración errónea en esa interminable secuencia de letras que componen nuestro ADN… ¿podríamos, al igual que los procariotas, detectar la secuencia conflictiva, cortarla y sustituirla por una correcta? Creo que nos vamos entendiendo…

Sin embargo, esta increíble “técnica defensiva” de los procariotas nos era desconocida hasta hace relativamente poco… Es eso que quedamos en llamar ciencia básica y que, a veces, nos regala sorpresas como esta. ¿Qué estarán haciendo esos científicos ridículos mirando durante días y días una placa de bichitos microscópicos?…

Tenemos que remontarnos a 1987, para que algunos de estos investigadores que se pasan las horas mirando bacterias [Ishino et al] publicaran el primer artículo científico sobre CRISPR cuando al analizar una bacteria E. coli descubrieron que algunas secuencias en su ADN se repetían una y otra vez, separadas por otras secuencias a las que denominaron espaciadores.

Estructura y organización del locus CRISPR y sus elementos relacionado - original de Karginov (Cell, 2010) traducción Jorge Val

Estructura y organización del locus CRISPR y sus elementos relacionado – original de Karginov (Cell, 2010) traducción Jorge Val

En los años siguientes a este primer paper del equipo de Yoshizumi Ishino llegaron nuevos estudios encontrando las mismas repeticiones en multitud de procariotas, incluyendo a las arqueas [Mojica et al (2000), Jansen (2002)] y además se localizó un grupo de genes, que siempre se encontraban cerca de estas repeticiones y que eran genes codificantes, es decir genes que tienen la información necesaria para fabricar proteínas y a los que se llamó “Cas” (que son las siglas de CRISPR associated genes –genes asociados a estas repeticiones CRISPR–).

Como estáis viendo, en la mayoría de las ocasiones, la ciencia trabaja despacio y gracias al trabajo de diferentes estudios y pequeños descubrimientos desperdigados por los laboratorios de todo el mundo. El equipo de Ishino descubrió esas repeticiones en E. coli en 1987 y aún tuvo que pasar más de una década para que se encontrase el operón Cas asociado a estas secuencias genéticas CRISPR… aunque todavía no sabíamos para qué servían o cuál era su función proteica… Estaban ahí, sí, pero apenas conocíamos nada más.

Pasaron varios años más hasta que en 2010 llegó la sorpresa y además en forma de una avalancha de artículos científicos [Karginov (2010), Marrafini (2010), Marrafini et al (2010), Garneu (2010), etc]…

El tema se iba aclarando: Las repeticiones [CRISPR] y los genes asociados a ellas [Cas], formaban un sistema defensivo [CRISPR/Cas] presente en la mayoría de las procariotas que era capaz de insertar nuevas secuencias genéticas incluyendo material genético exógeno procedente de los virus atacantes.

Las técnicas genéticas y aplicaciones asociadas a CRISPR/Cas no tardaron en llegar y en 2013 se convirtieron en la estrella de los círculos científicos especializados. Todo el mundo hablaba de las increíbles posibilidades médicas que podían ofrecer CRISPR/Cas.

Las Revistas más influyentes, Nature y Science, incluyeron estos avances entre los descubrimientos más importantes de 2013. Algunos medios titularon “La Humanidad está al borde de una gran revolución genética”. Los artículos y experimentos científicos realizados por laboratorios de todo el mundo se han multiplicado de manera exponencial en apenas unos años… y es en este momento cuando hacen su aparición estelar nuestros monos cangrejeros.

Los ya célebres monos cangrejeros del experimento publicado en Cell (2014)

Los ya célebres monos cangrejeros del experimento publicado en Cell (2014)

Después de todas estas publicaciones analizando y comprendiendo el fenómeno, llegaba la hora de la verdad y ¡funcionó!… En 2012 se publicaron por primera vez los resultados exitosos en la detección, edición y sustitución de secuencias genéticas determinadas por otras en un laboratorio. Diversos centros e instituciones científicas hicieron públicos sus experimentos con este nuevo método de “corta y pega” genético.

Y sí… las placas con muestras de bacterias, las plantas, los ratones, los peces cebra, son indispensables para realizar pruebas en Ciencia, pero no son un indicativo completamente fiable de cómo funcionará una determinada técnica biológica en seres humanos. Es necesario subir un peldaño y probarlo en primates…

Aquí entra la noticia que habréis leído en numerosos medios y blogs durante estos días: el nacimiento de dos monos a partir de embriones editados genéticamente con esta nueva técnica basada en el sistema inmune CRISPR/Cas de las procariotas. La noticia ha aparecido en multitud de webs así que no abundaré en ella, ni siquiera en la previsible y sempiterna polémica que siempre se forma alrededor de cualquier avance que incluya las palabras genética o embrión.

Por mi parte, en este momento del artículo me decido a darle un telefonazo a Manuel Collado, Director del Laboratorio de “Células Madre en Cáncer y Envejecimiento” en el Hospital Universitario de Santiago de Compostela que amablemente me facilita el contacto de Anxo Vidal, Profesor de Fisiología en esa misma Universidad que pertenece a uno de los equipos de investigación españoles que ya está trabajando con esta técnica de CRISPR/Cas9.

El Profesor Vidal me explica que le acaban de llegar los plásmidos necesarios para expresar el operón Cas9 y que su Laboratorio de Ciclo Celular y Oncologia en Santiago de Compostela ya se ha puesto manos a la obra para estudiar las posibilidades que esta nueva tecnología genética puede aportar a su campo de investigación: el cáncer. Además me confirma que no son los únicos y que a buen seguro numerosos investigadores españoles de otros campos ya están trabajando con ella. Su labor consistirá ahora en diseñar la secuencia guía (ARN guía) que queremos detectar y modificar, para que a continuación, las nucleasas (proteínas asociadas Cas9) se encarguen de cortar esa secuencia elegida e introducir la guía con la que el propio mecanismo celular remplazará el segmento cortado.

Las ventajas e inconvenientes de este novedoso método de edición genética están sobre la mesa. En un futuro que no se me antoja muy lejano tendremos en nuestras manos la posibilidad de modificar y rectificar en embriones humanos errores en las secuencias de letras que dan lugar a cientos, quizá miles, de terribles enfermedades genéticas.

Los grandes titulares y prometedores calificativos que muchos han regalado a las técnicas genéticas basadas en el sistema inmune procariota CRISPR/Cas parecen, por una vez, estar justificados.

………………………………..

Este post ha sido realizado por Javier Peláez (@irreductible) y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.

Quisiera agradecer la ayuda prestada por Juan Ignacio Pérez, César Tomé, Manuel Collado y Anxo Vidal a la hora de redactar este artículo.

Referencias científicas y más información:

Yuyu Niu, Bin Shen, Yiqiang Cui, et al. “Generation of Gene-Modified Cynomolgus Monkey via Cas9/RNA-Mediated Gene Targeting in One-Cell Embryos” (30 january 2014) Cell: DOI: 10.1016/j.cell.2014.01.027

Florian Heigwer, Grainne Kerr, Michael Boutros “E-CRISP: fast CRISPR target site identification” Nature Methods Volume: 11, Pages: 122–123 (2014) DOI:10.1038/nmeth.2812

Richard Van Noorden “What to expect in 2014” Nature Volume: 505, Pages: 13 (31 diciembre 2013) DOI: doi:10.1038/505013a

Helen Shen “First monkeys with customized mutations born” Nature DOI: doi:10.1038/nature.2014.14611

Jorge Val Calvo “El sistema inmune CRISPR/Cas: Corte de DNA exógeno guiado por RNA” Universidad Autónoma de Madrid

Yoshizumi Ishino, Hideo Shinagawa, et al “Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product” Journal of Bacteriology, 1987; 169(12): 5429–5433. PMCID: PMC213968

21 Comentarios

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felix morontafelix moronta

Esto es sencillamente alucinante.

Llevo algunas semanas preparando un post al respecto que complementaría esta maravilla que escribiste. En Alicante hice amistad con Francisco Mojica y lo estoy involucrando en este rollete. A ver cómo sale! Saludos!

AntonioAntonio

Parece un descubrimiento importante, aunque no entiendo mucho del tema. Para ponerlo en contexto, ¿qué diferencias y ventajas tiene este método con respecto a los métodos de ingeniería genética actuales?

EsperanzaEsperanza

Hola, una des las ventajas principales respecto a los métodos de ingeniería genética hasta ahora usados es el uso de poder realizar mutaciones genéticas dirigidas a un gen en particular, lo que permitirá el estudio de muchos genes hasta ahora desconocidos, de los que no existen mutantes para ver que función cumplen en un organismo.

Además también permitirá la obtención de knock-outs, hasta ahora solo posible en ratones (y rara vez en ratas). Hasta ahora se trabajaba en muchas ocasiones con silenciamiento de genes (Knock-down), pero el problema es que a veces hay una expresión basal que te enmascara el resultado, con la creación de knock-out y mutantes gracias a esta nueva técnica se podrá realizar un estudio mucho más profundo.

Espero haberte respondido =)

YackYack

Por lo que he conseguido entender, disponemos de una nueva herramienta para localizar un lugar especifico en el ADN de una célula procariota y sustituir una secuencia situada en esa ubicación por otra arbitraria.
Se me ocurren algunas preguntas:
¿Qué vector se emplea para introducir al “cirujano” molecular en el núcleo de la célula?
¿Se pueden corregir simultáneamente muchas células?
¿Podría servir esta técnica, una vez perfeccionada, para “arreglar” todas las células de un individuo que padeciese una enfermedad genética?
Saludos.

LautaroLautaro

Si puede hacer eso seria increible, podrias cambiar tu color de pelo etc geneticamente y no envejecer nunca.

2014, un año de ciencia

[…] como un procedimiento de extraordinaria versatilidad y eficiencia para editar genomas. En este blog tienen los lectores una magnífica explicación de en qué consiste esta técnica y su importancia. […]

Mara DierssenMara Dierssen

Enhorabuena por el post. Fantástica divulgación científica! Chapeau!

EstebanEsteban

Muy claro y muy ameno. Pedazo de post. Enhorabuena

Pegamento y tijeras palindrómicas | perspectyv

[…] Esta técnica permite nada menos que editar un fragmento de ADN y apañarlo con ADN externo. Curar. Ese artículo enlazado acaba diciendo “tendremos en nuestras manos la posibilidad de modificar y rectificar en embriones humanos errores en las secuencias de letras que dan lugar a cientos, quizá miles, de terribles enfermedades genéticas“. […]

Dos científicas ganan el Premio Princesa de Asturias por su revolucionario método de edi...

[…] como hacen esto es lo que ha permitido desarrollar CRISPR-Cas9, que salvando todas las distancias, es como una especie de editor de texto para el […]

Dos científicas ganan el Premio Princesa de Asturias por su revolucionario método de edi...

[…] como hacen esto es lo que ha permitido desarrollar CRISPR-Cas9, que salvando todas las distancias, es como una especie de editor de texto para el […]

DavidDavid

Sin duda es un gran descubrimiento, pero lo que dice el articulo de rectificar los fallos de nuestro genoma…, eso es una atrocidad, solo digo que busquen la diferencia entre la selección de una raza área propia del nazismo y la selección a la carta de personas humanas por este método.
La ciencia no puede simplemente evolucionar sin tener en cuenta la sociedad, la ética o la moral, las aplicaciones no pueden quedar fuera de un control ético, si no acabermos en una situación parecida a la que se nos expone en Un mundo Feliz o en la película Gattaca.

La inminente revolución de la ingenier&i...

[…] Mientras la mayoría de nosotros nos encontrábamos preparando la cena de Nochevieja, la Revista Nature publicaba el pasado 31 de diciembre su tradicional artículo de predicciones en el que intenta adelantar las noticias científicas más  […]

Llega la modificación genética de embriones humanos con CRISPR/Cas9 - Naukas

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Biología: Modificación genética de embriones humanos. | Lasmejoresideasdejeugenio'...

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