Edición del genoma para seleccionar el alelo correcto

Amparo Tolosa, Genotipia

Dentro de las enfermedades causadas por mutaciones en un único gen, las enfermedades de herencia dominante son aquellas en las que la presencia de una única copia mutante del gen es suficiente para que la enfermedad se manifieste.  En estas enfermedades, el efecto dañino de la copia mutante sobrepasa la acción de la copia normal del gen.

Cuando la actividad de la copia normal es suficiente para mantener la función del gen o de la célula, una aproximación terapéutica para algunas enfermedades genéticas causadas por mutaciones dominantes podría ser eliminar o inhabilitar la copia del gen que resulta dañina o para la célula. La dificultad de esta estrategia es hacerlo sin afectar a la copia normal del gen, ya que ambas versiones del gen, la normal y la mutada son extremadamente parecidas.

 

selección alelos
En algunas enfermedades dominantes una estrategia puede ser eliminar o inhabilitar la copia del gen que resulta dañina. Imagen: Ernesto del Aguila III, National Human Genome Research Institute (https://www.genome.gov).

 

Siguiendo la aproximación de actuar sobre la copia del gen que presenta una variante dominante patológica, dos recientes trabajos han desarrollado estrategias para eliminar de forma selectiva los alelos mutantes y conseguir que únicamente permanezca activa la copia normal de los genes responsables de enfermedades dominantes.

En primer lugar, un estudio de la empresa Sangamo Therapeutics muestra un protocolo para reprimir el alelo mutante responsable de la enfermedad de Huntington mediante factores de transcripción de diseño.

La enfermedad de Huntington está causada por la expansión patológica de una región de repeticiones de trinucleótidos en el gen HTT. Como resultado de esta mutación, en lugar de la proteína funcional se sintetiza una versión más larga de la proteína que al ser digerida produce pequeños fragmentos que resultan tóxicos para las células.

Para eliminar la copia mutante del gen HTT los investigadores diseñaron factores de transcripción con dedos de zinc que reconocen de forma específica la expansión patológica en el ARN mensajero del gen. El equipo ha utilizado estos factores con dedos de zinc en diferentes modelos preclínicos de ratón y ha obtenido una reducción hasta del 98% en la copia mutante del gen. Esta reducción, que no afecta a las copias normales del gen, se traduce además, en una mejora de los síntomas de la enfermedad en los ratones modelo.

“La aproximación de factores de transcripción con dedos de zinc de Sangamo es particularmente atractiva porque representa un tratamiento específico de alelo potencialmente universal que posiblemente podría necesitar una única administración”, señala Gillian Bates, profesora de Neurociencia Molecular en el University College London que participó en la identificación de la mutación responsable de la enfermedad de Huntington. “Si se traslada de forma exitosa a la clínica esto podría ser transformador para los pacientes y sus familias”, destaca la investigadora, que no ha estado implicada en el estudio.

En paralelo, un equipo de investigadores de la Universidad de Harvard ha optimizado la tecnología CRISPR para silenciar una mutación dominante en el gen Tmc1 que causa sordera progresiva.

El objetivo del equipo era mejorar la especificidad de reconocimiento del sistema CRISPR para garantizar su utilidad en la eliminación selectiva  de los alelos mutantes responsables de enfermedades. ¿Por qué es necesario mejorar la capacidad del CRISPR para reconocer una secuencia de ADN? CRISPR consta de los elementos principales: una enzima nucleasa que corta el ADN y un ARN guía que posiciona la nucleasa en la posición a cortar. El ARN guía confiere especificidad al sistema.  Sin embargo, una limitación importante para los sistemas CRISPR es que algunas nucleasas toleran que la unión entre el ARN guía y el ADN diana no sea completamente perfecta y existan diferencias en algunas posiciones del ARN respecto a la secuencia objetivo. Lo mismo ocurre con la secuencia de una región adyacente a la secuencia diana necesaria para que la nucleasa corte el ADN. Esta situación hace que el sistema no discrimine perfectamente entre la copia del gen que presenta una mutación dominante y la copia normal.

 

Las herramientas de edición genómica han avanzado lo suficiente en los últimos años como para que surjan protocolos destinados a identificar de forma precisa la copia de un gen que debe ser inactivada. Imagen: Janet Iwasa for the Innovative Genomics Institute at UC Berkeley.

 

Con el fin de mejorar la especificidad del sistema CRISPR los investigadores evaluaron la efectividad de 14 combinaciones diferentes de nucleasa Cas9 y ARN guía para reconocer una mutación dominante responsable de causar sordera progresiva. Como modelo de estudio el equipo utilizó ratones modelo para la sordera conocidos como ratones Beethoven (debido a que muestran síntomas similares a los del conocido músico) los cuales presentan una mutación dominante en el gen Tmc1 que causa sordera progresiva.

Una vez identificada la combinación de nucleasa y ARN guía más eficaz en cultivo celular, el equipo introdujo los componentes de CRISPR seleccionados en el oído interno de ratones Beethoven y ratones normales recién nacidos. El tratamiento con la combinación seleccionada, que en cultivo había mostrado una especificidad del 99% hacia la copia mutante, consiguió prevenir la sordera en los ratones Beethoven hasta un año tras la inyección. Así, dos meses tras la terapia, los ratones mutantes, que en situación normal hubieran perdido la audición pocos meses después del nacimiento, percibían los sonidos de forma casi indistinguible respecto a los ratones control. Además, en paralelo, los investigadores comprobaron que la terapia de edición genómica no tenía ningún efecto sobre el funcionamiento del gen normal, en los ratones normales tratados.

Los investigadores confían que esta estrategia podría ser utilizada en otras condiciones genéticas humanas causadas por mutaciones dominantes. Las primeras estimaciones a partir de la información disponible en bases de datos sugieren que hasta 21% de las mutaciones dominantes podrían ser tratadas mediante esta aproximación.  De momento, los investigadores han comprobado que funciona en células humanas con la mutación equivalente a los ratones Beethoven.

“Creemos que nuestro trabajo abre la puerta hacia una forma hiperdirigida de tratar una serie de trastornos genéticos que se producen a partir de una copia defectuosa de un gen”, indica Jeffrey Holt, profesor en la Universidad de Harvard e investigador senior en el trabajo. ”Esto es verdaderamente medicina de precisión”.

Diferentes mecanismos genéticos requieren diferentes aproximaciones terapéuticas. Detectar la copia que contiene una mutación dominante patológica respecto a la copia normal de un gen puede ser determinante a la hora de poder tratar o no algunas enfermedades dominantes. Las herramientas de edición genómica han avanzado lo suficiente en los últimos años como para que surjan protocolos destinados a identificar de forma precisa la copia de un gen que debe ser inactivada. De momento, las aproximaciones se realizan en ensayos preclínicos en células y animales modelo. Estudios futuros determinarán cuándo esta tecnología es lo suficientemente segura y efectiva como para aplicarse en pacientes.

Referencias:

Zeitler B, et al. Allele-selective transcriptional repression of mutant HTT for the treatment of Huntington’s disease. Nat Med. 2019. Doi: https://doi.org/10.1038/s41591-019-0478-3

György B, et al. Allele-specific gene editing prevents deafness in a model of dominant progressive hearing loss. Nat Med. 2019. Doi: https://doi.org/10.1038/s41591-019-0500-9

Fuentes:

Sangamo Therapeutics Announces Nature Medicine Publication Detailing the Activity of Disease Allele-Selective Zinc Finger Proteins in Preclinical Models of Huntington’s Disease. https://investor.sangamo.com/news-releases/news-release-details/sangamo-therapeutics-announces-nature-medicine-publication

Single letter speaks volumes. https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/07/gene-editing-tool-prevents-hearing-loss-in-mice-with-hereditary-deafness/

 

 

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