#85 Edición genética y CRISPR-Cas9

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La guerra más antigua, descomunal y atroz de la historia de la Tierra es la que se viene librando entre bacterias y los virus que las atacan—los bacteriófagos o fagos—desde que la vida surgiese en nuestro planeta hace unos tres mil millones de años.

Los fagos son la entidad biológica más abundante del planeta. Para hacernos una idea de su abundancia, basta decir que hay un billón de fagos por cada grano de arena o que puede haber hasta novecientos millones de estos virus en cada milímetro cúbico de agua marina.

A partir del descubrimiento (¡por un científico español!) del arma empleada por las bacterias para defenderse de estos virus, se produjo en 2012 el considerado por muchos como el descubrimiento en Biología más importante desde la descripción de la molécula del ADN: el descubrimiento de CRISPR-Cas9, la técnica de edición genética gracias a la cual podremos evitar malformaciones congénitas, curar enfermedades e incluso alterar la apariencia y capacidades de nuestros hijos.

O quizás no, puesto que algo así, como os podéis imaginar, plantea, además de algunas dificultades técnicas, algunos de los dilemas éticos y morales más importantes a los que nunca antes nos hemos tenido que enfrentar como sociedad.

Nos guste o no, CRISPR nos mete de lleno en la “era del gen”.

Entender qué está ocurriendo, además de ser una enorme fuente de oportunidades personales y profesionales, creo que es imperativo para todos nosotros, pues es posible que en los próximos años se tomen decisiones que pueden llegar a incluso a redefinir nuestra especie.


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Edición genética y CRISPR-Cas9

Inspirado en el libro El código de la vida: Jennifer Doudna, la edición genética y el futuro de la especie humana de Walter Isaacson.

El código de la vida

Forma

El ADN es una molécula en forma de doble hélice capaz de replicarse a sí misma que almacena el código fuente de la vida. Su estructura fue descrita por primera vez por Watson y Crick, lo que les valió la obtención del premio Nobel en 1962.

Este código está escrito únicamente con cuatro caracteres: A (Adenina), T (Timina), G (Guanina) y C (Citosina). El programa cuyo resultado es un ser humano tiene una longitud de unos tres mil millones de caracteres. Una alteración de una sola de esas letras—una mutación—puede dar como resultado una alteración de un rasgo físico sin mayor importancia pero también puede provocar enfermedades terribles como el síndrome de Hutchinson.

¿No sería—al menos en este último caso—maravilloso poder corregir la dichosa letrita?

Desde luego que sí, pero encontrarla no será tarea fácil. Si lo estirásemos, el ADN de una sola célula mediría casi dos metros, lo que nos lleva a afirmar que el cuerpo humano alberga unos 4.800 millones de kilómetros de ADN. Todo esto sin considerar el problema de acceder al núcleo de las células objetivo con la herramienta de edición.

Para que pueda caber dentro del cuerpo, el ADN está prodigiosamente enrollado y empaquetado en forma de cromosomas. Los seres humanos 23 parejas de cromosomas (46 en total), de los cuales la mitad provienen de nuestra madre y la otra mitad, de nuestro padre.

Nuestra información genética se pasa a las siguientes generaciones a través de la reproducción sexual. Las células reproductoras (óvulos y espermatozoides), se generan por meiosis, un método de división celular diferente al empleado para el resto de las células del organismo (mitosis). Durante la meiosis, ambos miembros de cada uno de los pares de cromosomas (recordemos, uno proveniente del padre y otro de la madre) se alinean entre sí e intercambian segmentos de información. Luego, con la información genética reordenada, los integrantes de cada par de cromosomas se separan y se dirigen a cada una de las células hijas. Este reordenamiento de la información es la base de una de las principales fuentes de variabilidad genética en las poblaciones de individuos y permite la adaptación a ambientes cambiantes.

Función

El código fuente de la vida está dividido en humanos en unas 20.000 secciones a las que se denomina genes. Cada gen porta las instrucciones para la construcción de una proteína, los bloques estructurales y funcionales de los que estamos hechos. Un grupo especialmente de proteínas son las enzimas, responsables de catalizar más de 5.000 tipos de reacciones químicas en el organismo.

La transcripción y traducción son los procesos que la célula usa para elaborar todas las proteínas a partir de la información almacenada en el ADN. Durante la transcripción, una porción de ADN que codifica un gen específico se copia en un 1 en el núcleo de la célula. Luego, el ARNm lleva la información genética del ADN al citoplasma, donde ocurre la traducción. Durante la traducción, se elaboran las proteínas usando la información almacenada en la secuencia de ARNm. El ARNm se une a orgánulo llamado ribosoma que puede leer la información genética. A medida que el ARNm pasa a través del ribosoma, otro tipo de ARN llamado ARN de transferencia (ARNt) lleva hacia el ribosoma los bloques que forman las proteínas, los aminoácidos.

Como acabamos de ver, el ADN es el que se lleva la fama, pero el ARN es el que verdaderamente carda la lana, como bien saben las nuevas vacunas del coronavirus.

A pesar de que en forma y función pueden ser extremadamente diferentes, todas las células de nuestro cuerpo tienen el mismo ADN. Lo que diferencia a unas de otras es qué partes del código están ejecutando y cuáles no. Es lo que se conoce como expresión génica. Como explicamos cuando hablamos de longevidad, a este proceso dinámico de “encendido y apagado” de genes es lo que se conoce como epigenética y su mal funcionamiento podría ser la causa raíz por la cual envejecemos.

Otra importante derivada de lo anterior es que llevar algo en los genes (como por ejemplo una enfermedad) no implica necesariamente que vayas a desarrollarlo. Todo dependerá de si ese gen se expresarán o no, lo cual depende del carácter del propio gen (dominante o recesivo) y del proceso epigenético, que está fuertemente influenciado por el ambiente y nuestro estilo de vida2.

Aunque el genoma humano es conocido desde principios de los 20003, la correspondencia entre genes, rasgos, procesos biológicos, enfermedades, etc. es extremadamente compleja y aún no se entiende completamente. Mejor dicho, aún no sabemos casi nada. Esto nos lleva a darnos cuenta de que la edición del genoma—por bienintencionada que sea—puede tener consecuencias negativas inesperadas.

La evolución por selección natural: el programador

La evolución es un algoritmo de fuerza bruta cuyo único objetivo es maximizar la propagabilidad de los genes. Nada más.

En este algoritmo, el “propósito” de las mutaciones genéticas no es provocar enfermedades sino crear nuevos individuos con características diferentes a las de sus progenitores.

Cuando estas características ponen a sus portadores en desventaja frente a sus rivales a la hora de sobrevivir y reproducirse, van desapareciendo del acervo genético pues los individuos que las portan se hacen minoritarios en la población o incluso se extinguen. Por contra, cuando son de ayuda, proliferan y se van convirtiendo en la norma. Como dice Richard Dawkins, los seres vivos no somos más que exoesqueletos de combate y reproducción para nuestro genes.

Esto implica que a la Naturaleza no le importa demasiado que sobrevivamos muchos más años que los que necesitamos para desarrollarnos, reproducirnos y asegurar la supervivencia de la prole. De ahí que multitud de problemas de salud se manifiesten a partir de la edad mediana, cuando muchos podemos dar esas misiones por cumplidas. La parte del código que tiene que ver con nuestra salud a partid de entonces no está optimizada en absoluto, ni nunca lo estará.

Entonces, ahora que quizás pudiésemos hacerlo, ¿no tendría todo el sentido que mejoremos algo que la evolución—por diseño—jamás va a completar?

Bueno, en realidad, la afirmación anterior no es del todo cierta. La evolución ha sido capaz de crear un organismo con la inteligencia suficiente como para descifrar su funcionamiento y alterarlo. ¿No se podría por tanto considerar la edición genética como un fruto de la propia evolución?


CRISPR

Francisco Mojica: el origen

En 1990, como parte de su doctorado en la Universidad de Alicante, el ilicitano Francisco Mojica se dedicó a estudiar las arqueas, organismos unicelulares que, al igual que las bacterias, carecen de núcleo. En concreto, la que él eligió para su estudio fue una arquea que prolifera en las salinas tan típicas de su zona, en las que la concentración de sal es diez veces más alta que en el mar.

Con el propósito de intentar explicar la afición a la sal de esta arquea, secuenció su genoma. Cuando lo examinó, descubrió secuencias idénticas de ADN que se repetían a intervalos regulares. Para mayor sorpresa, dichas secuencias eran palindrómicas, es decir, se leían igual de izquierda a derecha que de derecha a izquierda. En primera instancia pensó que había cometido algún error en el proceso. Sin embargo, la repetición de los resultados a lo largo del tiempo le hicieron descartar esta hipótesis. Además, le parecía muy extraño que un organismo que tiene una cantidad de material genético muy limitada se pudiera permitir el lujo de desperdiciarlo en algo inútil. Investigando en la literatura científica—en una época en la a efectos prácticos no existía internet—, encontró que un microbiólogo japonés había reportado algo similar en la bacteria E. coli años atrás. El hecho de haber encontrado estas estructuras tan inusuales en organismos diferentes le hizo estar prácticamente seguro de que no se encontraba ante una casualidad. En ese momento decidió que dedicaría los próximos años de su carrera de investigación a desvelar este enigma.

A estas secuencias de ADN cortas, palindrómicas, que se repetían a intervalos iguales en el ADN de las bacterias, Mojica las bautizó como “CRISPR” (pronunciado “crísper”), acrónimo de Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats​. A las secuencias de ADN aparentemente normal que aparecían entre las CRISPR las llamó “espaciadoras”. Advirtió además que estas secuencias venían siempre acompañadas por unos genes que codificaban unas proteínas muy interesantes, a las que con el tiempo se denominó enzimas asociadas a CRISPR o Cas, por sus siglas en inglés.

Más adelante, Francisco Mojica hizo un hallazgo crucial: las secuencias espaciadoras que se hallaban entre las CRISPR se correspondían con fragmentos de ADN de los virus que atacaban a las bacterias. Esto le llevó a conjeturar que las bacterias—esos organismos unicelulares extremadamente sencillos, pero que, como decíamos, vienen luchando contra hordas y hordas de virus desde que la vida surgió hace miles de millones de años— habían sido capaces de desarrollar una suerte de sistema inmune que las protege de los virus que las habían atacado en el pasado.

Un virus no es más que un pequeño trozo de material genético (ADN o ARN) envuelto en una proteína. Su forma de atacar a una célula consiste en adherirse a la membrana, inyectar su ADN o ARN a su interior y hackear la maquinaria celular para crear réplicas de sí mismo y propagarse, impidiendo el correcto funcionamiento de la célula infectada.

En 2003 Mojica confirmó que las bacterias que tenían fragmentos de ADN vírico en las secuencias espaciadoras del clúster CRISPR eran inmunes a los ataques de dichos virus. Más impactante aún fue descubrir que las bacterias que sobrevivían al ataque de un virus desconocido hasta entonces eran capaces de incorporar fragmentos de su ADN a su sistema CRISPR, dotándose a sí mismas y a su descendencia de protección contra este invasor. Se trataba de un sistema inmune adaptativo, como el nuestro.

No fue hasta 2005 cuando consiguió que su hallazgo se publicase en una revista científica, el Journal of Molecular Evolution, tras años de ser rechazado por otras publicaciones científicas de más renombre.

Un año más tarde, en 2006, tras numerosas confirmaciones de que CRISPR era un sistema inmune bacteriano, Eugene Kooning, un científico americano, amplió la teoría de Mojica mostrando que una de las funciones de las enzimas Cas era extraer la información genética de los virus atacantes e insertarla en la de la propia bacteria.

CRISPR-Cas9

En los años que van entre 2006 y 2012 una apasionante mezcla de colaboración y competición entre científicos, universidades e incluso empresas privadas de varias partes del mundo llevaron a descubrir el funcionamiento del sistema CRISPR en detalle, para posteriormente en 2013 demostrar su aplicabilidad a células de una persona.

Algunos de los descubrimientos más relevantes de este periodo fueron:

  • que las bacterias se defendían del virus invasor cortando su ADN en el punto indicado por la secuencia espaciadora

  • que la enzima Cas9 era la “tijera molecular” que realizaba este corte

  • que este mecanismo se podía programar, es decir, era posible introducir artificialmente una secuencia espaciadora en el sistema CRISPR de una bacteria para dotarla de inmunidad4

Al mundo científico no se le escapó que un mecanismo que permitiese cortar con precisión una cadena de ADN cualquiera en un lugar seleccionado a voluntad tenía un potencial enorme para convertirse en una herramienta de edición genética.

De todos los científicos implicados en esta carrera, los avances más importantes los consiguieron el duo formado por la estadounidense Jennifer Doudna y la francesa Emmanuelle Charpentier, recientemente galardonadas con el Premio Nobel de Química el pasado 2020. Ellas fueron las descubridoras de los componentes esenciales de un sistema CRISPR y de describir con precisión su estructura y funcionalidad tanto in vivo como in vitro.

A la carrera por demostrar que esta técnica era también aplicable en células humanas se unió el americano de origen chino Feng Zhang, quien desató una polémica guerra de patentes contra Doudna y Charpentier en la que ambos grupos trataron de demostrar quién lo consiguió antes.


En su versión actual, el sistema de edición genética CRISPR-Cas9 está compuesto por tan solo dos componentes:

  • Una proteína Cas9 que puede provocar cortes en las dos hebras del ADN en una región derminada.

  • Un fragmento de ARN que es capaz tanto de guiar a la Cas9 hasta la región ADN objetivo como de actuar de fijación y andamiaje mientras ésta realiza la operación de corte.

Una vez realizado el corte, la célula pone en marcha el mecanismo de reparación celular. Muchas veces, no será capaz de reparar bien el daño, lo que provocará la desactivación del gen. Esta es una de las aplicaciones prácticas más sencillas de CRISPR. Otras veces, podemos acompañar al sistema CRISPR-Cas9 con la secuencia de ADN que queremos que la célula inserte en el punto corte, lo cual es algo más complejo.

A pesar de nos ser la primera técnica de edición genética existente, su bajo coste, precisión, simplicidad y facilidad de uso de CRISPR supone un salto cualitativo de al menos un orden de magnitud con respecto a sus predecesoras. Supone el inicio de una revolución que no sabemos hasta dónde nos puede llevar.


Hasta aquí nuestro repaso sobre edición genética y CRISPR-Cas9 por hoy. La semana que viene intentaremos profundizar en qué se puede hacer a día de hoy con CRISPR, qué no está aún resuelto desde el punto de vista técnico y, sobre todo, introduciremos los dilemas éticos y morales que nos plantea.

Buena semana,

Samuel


Gracias por leer Suma Positiva.

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1

A cada grupo de tres letras del ADN se le denomina codón y codifica un aminoácido. Como hay 64 codones posibles y tan solo 20 aminoácidos, algunos de ellos están codificados por varios codones diferentes.

2

¿Te has preguntado por qué dos gemelos, aún teniendo idéntico ADN, pueden ser diferentes?

3

Parece que faltaba un 8% del ADN por secuenciar y acaba de ser completado: https://www.popularmechanics.com/science/health/a36608009/scientists-say-they-sequenced-entire-human-genome/

4

Algo que fue extraordinariamente bien recibido por el fabricante de productos lácteos Danisco, quien pudo proteger las bacterias que usaban para fermentar la lecha de los virus que las atacaban habitualmente.