Edición del genoma para las enfermedades de herencia mitocondrial

Amparo Tolosa, Genética Médica News

 

Dos herramientas de edición del genoma han conseguido aliviar a nivel molecular los efectos de una mutación mitocondrial y plantean que es posible mejorar los síntomas de las enfermedades de herencia mitocondrial sin eliminar por completo las mutaciones que las causan.

 

Al igual que ocurre con el ADN nuclear, las mutaciones en el ADN mitocondrial pueden dar lugar a diferentes trastornos metabólicos y enfermedades.  Cada célula tiene entre cientos y miles de mitocondrias en su interior, que proporcionan la energía necesaria para su correcto funcionamiento. Además, cada una de sus mitocondrias contiene diferentes copias de ADN mitocondrial, con las instrucciones de algunos de sus componentes, lo que lleva a que, en total, una célula tenga miles de copias del genoma mitocondrial. Esta característica influye en cómo pueden manifestarse las mutaciones en sus genes.

 

edición genoma mitocondrias
Mutaciones en el ADN de las mitocondrias puede dar lugar a diferentes condiciones y enfermedades. Torsten Wittmann, University of San Francisco, CC BY NC 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by-nc/2.0/.

 

Mutaciones en cualquiera de los genes del genoma mitocondrial pueden comprometer la función de generar energía de la mitocondria y dar lugar a la aparición de enfermedades.  Sin embargo, debido a la heteroplasmia, fenómeno por el cual una misma célula puede tener mitocondrias con la mutación y mitocondrias sin la mutación, esto solo ocurre si se alcanza un límite que afecta de a la función mitocondrial

Las enfermedades de herencia mitocondrial no tienen cura. La única medida para evitar su transmisión de la madre al hijo es recurrir a técnicas que reemplazan mitocondrias maternas portadoras de mutaciones por mitocondrias sanas obtenidas de donantes de óvulos, o que transfieren el material hereditario materno a un ovocito donante fecundado. Sin embargo, estas aproximaciones que pueden evitar en gran medida su paso a la siguiente generación no permiten tratar a pacientes ya afectados.

En los últimos años las técnicas de edición del genoma han evolucionado hasta un punto en el que ya se vislumbra su posible utilización para el tratamiento de enfermedades hereditarias en pacientes humanos. La técnica que mayores perspectivas ha alcanzado es sin duda el sistema CRISPR-Cas9, que parece dominar en todos los ámbitos excepto en uno, el de la modificación del genoma mitocondrial. CRISPR consta de dos elementos básicos, una enzima nucleasa que corta el ADN y una molécula de ARN que guía a la nucleasa hasta la posición del genoma a modificar. Esta aproximación se ha abordado con éxito para modificar el genoma nuclear, en el que se encuentra la gran mayoría de nuestro material hereditario. No obstante, la modificación del genoma mitocondrial implica introducir en la mitocondria los componentes de CRISPR, lo que presenta grandes dificultades técnicas.

Dos nuevos trabajos acaban de abordar con resultados prometedores la edición del genoma mitocondrial desde una perspectiva diferente: utilizando otros métodos que no utilizan ARN guía y que permiten introducir todos los componentes necesarios en el interior de la mitocondria. Además, ambos trabajos muestran que no es necesario corregir la mutación patológica en todas las copias de genoma mitocondrial, sino que es suficiente reducir la carga mutacional para observar beneficios en la enfermedad.

 

Componentes del sistema TALENs de edición del genoma sobre la cadena de ADN que reconocen de forma específica. Imagen: By David Goodsell (RCSB PDB Molecule of the Month) [CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)].

En ambos trabajos los investigadores han utilizado ratones modelo en los que la proporción de mitocondrias con una  mutación patológica era suficiente para manifestar una enfermedad, esto es, ratones  con una elevada carga mutacional. Y en ambos casos han utilizado nucleasas programables para inducir cortes en el ADN mitocondrial que lleva la mutación. Esta estrategia resulta especialmente útil para eliminar las moléculas de ADN mitocondrial con mutaciones por dos razones. En primer lugar, porque las mitocondrias no disponen de mecanismos efectivos de reparación del ADN de doble cadena, por lo que las moléculas rotas serán degradadas. En segundo lugar, el número de copias de ADN mitocondrial está regulado y se mantiene constante, por lo que si las copias mutantes van siendo eliminadas y se estimula la replicación del ADN mitocondrial para recuperar los niveles, la proporción de ADN normal irá aumentando.

Las nucleasas programadas para reconocer el ADN mutante en cada trabajo son diferentes, pero igualmente efectivas. En uno de los estudios, un equipo de la Universidad de Miami utilizó el sistema de edición del genoma TALENS adaptado a mitocondrias, mientras que en el otro, realizado por investigadores de la Universidad de Cambridge, se utilizó una nucleasa con dedos de zinc. Los investigadores diseñaron las nucleasas programables y empaquetaron el ADN necesario para sintetizarlas en partículas víricas que administraron a los ratones mediante inyección intramuscular, intravenosa o intraperitoneal.  En los dos trabajos este tratamiento  consiguió reducir la carga de ADN mitocondrial con mutaciones y esta reducción se tradujo en una recuperación a nivel molecular.

 

Cada célula puede tener miles de mitocondrias cada una con diferentes copias de ADN. Imagen: Célula mostrando en amarillo las mitocondrias, azul el ADN y en púrpura los filamentos de actina. De Dylan Burnette and Jennifer Lippincott-Schwartz, Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development, National Institutes of Health.

 

En ambos estudios, los investigadores han concluido que la reducción de la carga de ADN mitocondrial con mutaciones es suficiente para corregir los efectos patológicos y no es necesaria una edición o eliminación completa de todas las copias de ADN mitocondrial con la mutación. En la mayoría de las enfermedades causadas por mutaciones en el ADN mitocondrial se observa heteroplasmia, por lo que los investigadores plantean que modificar el ratio de copias mutantes y copias sanas para que no sobrepase el límite patológico es una estrategia terapéutica con gran potencial. “Una idea para tratar estas devastadoras enfermedades es reducir la cantidad de ADN mitocondrial destruyendo de forma selectiva el ADN mutado, y permitiendo al ADN sano tomar su lugar”, señala Michal Minczuk, investigador de la Unidad de Biología Mitocondrial del Consejo de Investigación Médica y uno de los directores del trabajo de la Universidad de Cambridge.

De momento, esta estrategia se ha utilizado con éxito en ratones pero todavía será necesario dar algunos pasos hasta trasladar los resultados a humanos. “La aproximación parece segura en ratón, y nos gustaría trasladarla a humanos”, ha señalado Carlos T Moraes, profesor de neurología y biología celular en la Universidad de Miami. “Por supuesto la administración de genes a algunos tejidos es todavía un reto”.

Referencia:

Gammage PA, et al. Genome editing in mitochondria corrects a pathogenic mtDNA mutation in vivo. Nat Med. 2018. Doi: https://doi.org/10.1038/s41591-018-0165-9

Bacman SR, et al. MitoTALEN reduces mutant mtDNA load and restores tRNAAla levels in a mouse model of heteroplasmic mtDNA mutation. Nat Med. 2018. Doi: https://doi.org/10.1038/s41591-018-0166-8

Fuentes:

Mitochondrial diseases could be treated with gene therapy, study suggests. https://www.cam.ac.uk/research/news/mitochondrial-diseases-could-be-treated-with-gene-therapy-study-suggests

Advances in Gene Editing and Delivery Offer Promise for People Living with Mitochondrial Diseases. http://med.miami.edu/news/advances-in-gene-editing-and-delivery-offer-promise-for-people-living-with-

 

 

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