Amparo Tolosa, Genotipia
Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna han sido galardonadas con el Premio Nobel de Química de 2020 por el desarrollo de un método para modificar el genoma. Ambas investigadoras tuvieron un papel esencial en el desarrollo del sistema de edición genómico CRISPR, una herramienta que ha revolucionado el campo de la investigación biotecnológica.
Importancia de la edición del genoma
La posibilidad de modificar el genoma tiene gran relevancia en tres grandes áreas: la investigación, la medicina y la biotecnología.
En primer lugar, los sistemas de edición del genoma permiten investigar la función de los genes y los diferentes mecanismos biológicos en modelos celulares o animales. Además, representan una herramienta con gran potencial para el tratamiento de enfermedades genéticas causadas por mutaciones. Por último, la edición del genoma puede ser utilizada en mejora animal o vegetal, para aumentar el rendimiento de las cosechas o hacerlas resistentes a patógenos.
¿Qué es CRISPR?
CRISPR es una tecnología que permite editar el genoma, es decir, modificar la secuencia de ADN de un organismo. CRISPR puede ser utilizado para eliminar, añadir o alterar fragmentos concretos de ADN.
¿Cómo funciona CRISPR?
La principal ventaja de CRISPR es su sencillez. El sistema CRISPR-Cas9 actual consta de dos elementos básicos, una enzima nucleasa, denominada Cas9, con capacidad para cortar la doble cadena de ADN y un ARN guía que posiciona la enzima en la localización deseada por el investigador. Así de simple.
Cuando se introducen ambos componentes en la célula, el ADN guía reconoce la región del genoma a modificar y conduce a la nucleasa Cas9 hacia esa posición. Una vez allí, la nucleasa corta el ADN generando un punto de rotura en la doble cadena. La presencia de un defecto en el ADN activa los mecanismos naturales de reparación del ADN de la célula destinados a juntar los extremos del ADN separados por la nucleasa. Sin embargo, en algunos casos, la reparación no es precisa y resulta en la pérdida o ganancia de algunos nucleótidos, generando mutaciones de deleción o inserción en el ADN. Cuando las mutaciones se localizan dentro de un gen, pueden inactivarlo. De este modo, dirigiendo Cas9 hacia la región de un gen, este puede inactivarse. Por otra parte, si se proporciona a la célula un ADN molde con el que reparar el ADN, no sólo se consigue introducir un cambio, sino que además se puede modificar el ADN y generar la secuencia final deseada.
¿Por qué se ha convertido en una herramienta con gran potencial?
Antes de CRISPR ya existían otros sistemas de edición del genoma. Sin embargo, CRISPR es una herramienta mucho más versátil y fácil de utilizar, además de ser más barata.
¿Cuál es el origen de CRISPR como herramienta de edición del genoma?
El camino hacia la modificación del material hereditario empezó mucho tiempo antes de la aparición de CRISPR y se sustenta en los descubrimientos y trabajos de muchos otros investigadores. La descripción de la estructura del ADN, la recombinación homóloga, la secuenciación, el descubrimiento de las enzimas de restricción, la obtención de ADN recombinante o el estudio de los mecanismos de reparación del ADN son algunos de los pasos clave que han hecho posible el desarrollo de las técnicas de edición del genoma de hoy en día.
El sistema CRISPR deriva de un mecanismo de defensa presente en las bacterias para hacer frente a la infección por virus u otros elementos. Las secuencias CRISPR son repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas, presentes en el genoma bacteriano que proceden de exposiciones previas a virus o agentes invasores. Estas secuencias fueron descritas (y posteriormente bautizadas) por Francisco Juan Martínez Mojica (más conocido como Francis Mojica), investigador de la Universidad de Alicante cuyo tesón permitió a su equipo identificar 10 años más tarde, la función de CRISPR como parte de un sistema inmune adaptativo de bacterias. Hasta entonces, nadie había prestado atención a las repeticiones CRISPR.
El trabajo de Mojica, primero en investigar las secuencias CRISPR, se remonta a principios de los años 90. No obstante, la idea de utilizar el sistema bacteriano para modificar el genoma es mucho más reciente. La nucleasa Cas9 fue descubierta en 2005 y fueron necesarios seis años más para identificar los dos fragmentos de ARN que intervienen en el sistema CRISPR presente en la naturaleza.
Así, hasta 2012 no se propuso utilizar el sistema CRISPR como herramienta para editar el genoma. Ese año dos trabajos resultaron cruciales para el desarrollo de CRISPR como la tecnología que conocemos hoy en día. Por una parte, el equipo de Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier describieron cómo interaccionan los dos ARNs que intervienen en el proceso con Cas9 y cómo se produce el punto de rotura por parte de Cas9. Además, el equipo de Doudna y Charpentier encontró una forma muy elegante para simplificar el sistema consistente en diseñar un único ARN guía a partir de la fusión de los dos ARNs mencionados. Su trabajo fue el primero publicado en señalar que Cas9 puede ser programada para cortar en el ADN, creando ARNs guía de diseño y también el primero en plantear CRISPR como una herramienta para editar el genoma. Por otra parte, ese mismo año se publicaba otro trabajo, dirigido por Virginijus Siksnys, que describía cómo Cas9 era guiada hacia el ADN por un ARN y cómo corta el ADN en esa posición. El trabajo de Siksnys, que fue publicado posteriormente al de Doudna y Charpentier, a pesar de haber sido enviado antes, también planteaba que se podrían crear endonucleasas programadas diseñando ARNs guía que las posicionaran en la posición del genoma deseada.
Poco después, los equipos de Feng Zhang y George Church publicaron simultáneamente los primeros estudios en los que se utilizó CRISPR para editar el genoma de células de mamífero. Estos trabajos demostraron que el sistema CRISPR podía ser programado de forma sencilla y presentaba un gran potencial como herramienta de modificación del genoma.
Aplicaciones de CRISPR
Una vez pudo utilizarse CRISPR para introducir mutaciones en eucariotas se observó que la generación de animales mutantes mediante la tecnología CRISPR era más rápida y eficiente que la realizada por otras técnicas de edición del genoma, lo que catapultó a CRISPR a la primera posición de tecnologías más deseadas.
La gran revolución de la tecnología CRISPR es que muestra una gran versatilidad para editar el genoma. No sólo permite modificar la secuencia de ADN, sino que también puede utilizarse para regular la expresión de los genes o introducir modificaciones epigenéticas, entre otras opciones. Esto es posible si se inactiva el módulo Cas9 y se añaden otros módulos, con elementos reguladores de la expresión o actividad epigenética.
En los últimos años, múltiples estudios han utilizado CRISPR con éxito en diferentes objetivos: diseñar microorganismos que lleven a cabo funciones específicas, generar y estudiar del efecto de mutaciones en células animales y humanas, rastrear dianas contra el cáncer…No en vano, la tecnología ha recibido numerosos premios, entre ellos el galardón Princesa de Asturias, el pasado 2015 otorgado también a Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier. Ese mismo año, la revista Science seleccionaba la técnica CRISPR de edición del genoma como avance científico más importante del año.
Dentro de las posibilidades clínicas de CRISPR, destacamos dos que ya son una realidad. En primer lugar, en 2016 se inició el primer ensayo clínico en seres humanos en el que se utilizaron células modificadas con CRISPR para tratar a un paciente con cáncer de pulmón microcítico. En segundo lugar, ya se está investigando la eficacia de CRISPR en embriones humanos para reparar una mutación responsable de una enfermedad genética. De este modo, CRISPR se presenta como una herramienta que no sólo puede contribuir a crear organismos con nuevas funciones, sino que tiene el potencial de corregir errores genéticos causantes de enfermedades.
El español que dio nombre a CRISPR
Los Premios Nobel tienen límite de beneficiarios por lo que a menudo no reflejan el papel de todas las personas implicadas en los descubrimientos. Aunque su nombre no ha sido pronunciado hoy, el español Francisco Juan Martínez Mojica pasará a la historia por ser el primero en interesarse por estudiar las misteriosas secuencias repetidas en el genoma de las bacterias que darían lugar al conocido sistema de edición genómica CRISPR. También fue el responsable de dar nombre a las secuencias CRISPR. El tesón de este microbiólogo, natural de Elche, Alicante, fue crucial para poder conocer el funcionamiento de los CRISPR como parte del sistema inmunitario bacteriano. Y por tanto, para que fuera posible el desarrollo del sistema CRISPR como método para modificar el genoma.
¿Quieres saber más sobre CRISPR?
Jinek M, et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science. 2012 Aug 17;337(6096):816-21. doi: 10.1126/science.1225829.
Gasiunas G, et al. Cas9-crRNA ribonucleoprotein complex mediates specific DNA cleavage for adaptive immunity in bacteria. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012 Sep 25;109(39):E2579-86. Epub 2012 Sep 4.
Cong L, Ran FA, Cox D, et al. Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems. Science. 2013;339(6121):819-823. doi: http://dx.doi.org/10.1126/science.1231143
Mali P, Yang L, Esvelt KM, et al. RNA-Guided Human Genome Engineering via Cas9. Science. 2013;339(6121):823-826. doi: http://dx.doi.org/10.1126/science.1232033
CRISPR para modificar la actividad de los genes sin cambiar el ADN
Liao HK, et al. In Vivo Target Gene Activation via CRISPR/Cas9-Mediated Trans-epigenetic Modulation. Cell. 2017. Doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.10.025
Nuevas herramientas CRISPR para la cirugía de precisión del ADN y ARN
Gaudelli NM, et al. Programmable base editing of A•T to G•C in genomic DNA without DNA cleavage. Nature. 2017. Doi: http://dx.doi.org/10.1038/nature24644
Cox DBT, et al. RNA editing with CRISPR-Cas13. Science. 2017. Doi: http://dx.doi.org/10.1126/science.aaq0180
CRISPR en embriones humanos para investigar el papel de los genes durante el desarrollo.
Fogarty NME, et al. Genome editing reveals a role for OCT4 in human embryogenesis. Nature. 2017. Doi: 10.1038/nature24033
CRISPR para rastrear y encontrar nuevas dianas inmunoterapéuticas contra el cáncer.
Mangusto RT, et al. In vivo CRISPR screening identifies Ptpn2 as a cancer immunotherapy target. Nature. 2017. Doi: 10.1038/nature23270
Primer ensayo en humanos con células modificadas genéticamente mediante la tecnología CRISPR.
Cyranoski D. CRISPR gene-editing tested in a person for the first time. Nature. 2016. Doi: 10.1038/nature.2016.20988
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