CRISPR-Cas: la revolución de las tijeras moleculares

A mitad de verano, el mundo se vio sorprendido por una noticia científica muy relevante: investigadores estadounidenses y coreanos habían conseguido eliminar una enfermedad genética de unos embriones humanos. Desde entonces, se ha oído hablar mucho de la modificación genética de embriones, la cura de enfermedades hereditarias, los bebés a la carta… De repente lo que hasta hace nada parecía ciencia-ficción se acerca de forma sorprendente. En este artículo hablaremos de CRISPR-Cas, la tecnología que se encuentra detrás de este hallazgo; la semana que viene, reflexionaremos sobre los aspectos éticos que suscita.

El CRISPR-Cas representa uno de los últimos descubrimientos científicos que ha revolucionado el mundo de la genética molecular. En este artículo expondremos brevemente su descubrimiento y función.

En el año 1987, Ishino y colaboradores descubrieron en el ADN de la bacteria Escherichia coli una serie de repeticiones de secuencias que estaban separadas unas de otras por otras secuencias que no se repetían, sin embargo no se entendía el propósito que tenían. En los años posteriores se continuaron encontrando secuencias repetidas similares en otros organismos hasta que en el año 2000 el investigador español Francisco Mojica y su equipo concluyeron que la mayoría de bacterias y arqueasⁱ poseen en su genomaⁱⁱ secuencias repetidas cortas similares a las de Ishino. A estas secuencias se las llamó por el acrónimo CRISPR (ClusteredRegularlyInterspacedShort PalindromicRepeats), que significa repeticiones palindrómicas*ⁱⁱⁱ cortas regularmente interespaciadas y agrupadas.

En 2002, Jansen y colaboradores comprobaron que esas secuencias repetidas estaban acompañadas en todos los casos por cuatro genes que llamaron genes Cas.

Esquema del prototipo de genes CRISPR-Cas. A la izquierda los genes Cas, a la derecha las secuencias repetidas intercaladas por espaciadores. Entre ambos la secuencia líder intermedia, que posee otros genes cuyo interés no forma parte de lo que conocemos del sistema CRISPR-Cas.

Finalmente, en 2005 Mojica y sus colaboradores descubrieron que las secuencias espaciadoras provenían de secuencias de genes de virus que infectan a bacterias, y que además las bacterias que poseían fragmentos de genes de estos virus eran inmunes a ellos. Es decir, gracias a este sistema eran resistentes a infecciones por los virus de los cuales poseen un fragmento de material genético.

¿Pero cómo es esto posible? ¿Cómo aparece material genético de un virus en los genes de una bacteria?

La explicación de esto es lo que ha maravillado el mundo de la ciencia. En pocas palabras los genes que son secuencias espaciadoras en el CRISPR se copian y se fragmentan en pequeñas porciones de ARN (que son fragmentos del material genético de algún virus, cada uno es de un virus distinto generalmente). Por otro lado los genes Cas se copian y forman proteínas Cas, que se consideran las tijeras moleculares por excelencia, dado que su función en la bacteria es cortar la molécula que se le presente delante y así degradarla.

A continuación se juntan el fragmento de ARN (RNA) y alguna proteína Cas formando el complejo crRNA/Cas.

Cuando un virus ataca e infecta a una bacteria, lo que hace el virus es introducir su ADN o material genético en el interior de la bacteria para usar la maquinaria de replicación bacteriana con el fin de crear muchas copias del ADN del virus que posteriormente se ensamblan formando nuevos virus que son liberados y continúan repitiendo el proceso.

Las bacterias que tengan en sus genes CRISPR fragmentos del material genético del virus que la está infectando lograrán lo siguiente: los fragmentos de crRNA van a unirse al material genético del virus porque son complementarios. Cuando se encuentran próximos entre sí^iv, la proteína Cas que se encuentra unida al crRNA va a cortar el material genético del virus atacante, de ésta manera se destruye en varios fragmentos que después son degradados y eliminados por varios procesos bacterianos paralelos.

Lo más curioso, es que uno de éstos nuevos fragmentos que se han cortado del nuevo virus que infectó puede ser introducido como una nueva secuencia espaciadora de los genes CRISPR, de manera que si algún virus parecido o que comparta relación con ese fragmento infecta a nuestra bacteria, la bacteria será resistente a él y podrá evadirse del ataque.

En conclusión, el sistema CRISPR-Cas se considera un sistema de respuesta inmune adaptativa utilizado por bacterias y arqueas^v.

Y, ¿por qué supone esto un descubrimiento tan relevante en ingeniería genética?

Tras el descubrimiento de este sistema se han logrado verdaderas metas en la investigación genética, vamos a ver de qué manera.

Cas9 es una proteína Cas que ha resultado ser de gran utilidad porque es capaz de cortar cualquier parte del genoma de cualquier organismo siempre y cuando la unamos con alguna molécula que le sirva de guía, como vimos con el crRNA. Cuando el ADN sufre un corte, la célula debe arreglarlo de inmediato porque si no es así la muerte de la célula está asegurada. Hay varias formas en las que se puede corregir de forma natural ese corte del ADN, por una parte pueden volver a unirse los extremos (hay moléculas encargadas de estas reparaciones) aunque esto no varía nada el resultado y no es útil en la modificación genética. Por otro lado, que apunta más a la variación y modificación de genes nuevos, existe un método de reparación de cortes mediante la unión de un nuevo fragmento de ADN que encaje en el hueco que se ha formado, y esto es la base del tema que ahora abrimos, la edición genética.

Podemos crear en el laboratorio de forma muy sencilla una cadena de ADN con la información que queramos darle, y preocuparnos por preparar ambos extremos de forma que encaje sin problema en el lugar donde mandemos el corte de Cas9. Lo han logrado hacer en numerosos organismos unicelulares, invertebrados, vertebrados e incluso en células humanas “in vitro”.

Se está tratando de investigar cómo usar este sistema para tratar enfermedades humanas, y varios proyectos han comenzado ya con sus pruebas en pacientes.

Las potencialidades de esta herramienta son muy considerables, y por ello requiere que nos planteemos su uso de la mejor y más sabia manera. Aparecen preguntas como ¿hasta qué punto debemos manipular el ADN?, ¿Dónde debemos poner el límite?

Acabo resaltando la limitación ética que atañe al uso de este sistema, no resulta sencillo para mí de discutir, pues ni yo mismo tengo una respuesta tan certera como querría acerca de hasta dónde debemos y no debemos llegar. Por ello acentúo la importancia de los congresos, reuniones y debates que se realizan cada escasos meses para continuar usando un sistema tan amplio de la mejor y más sabia forma posible.

Próximamente trataremos ese tema en mayor profundidad, por ahora solamente queríamos compartir el funcionamiento y origen de esta nueva herramienta de ingeniería genética para otorgarle una pincelada de realidad.

Reflexión personal

Algo reseñable del Sistema CRISPR-Cas es el que a partir de una investigación básica, mediante el descubrimiento de microorganismos portadores de unas secuencias extrañas cuya función era totalmente desconocida, ha permitido en la actualidad la creación de herramientas poderosas, eficaces y sencillas para la manipulación del genoma que pueden ser aplicadas en multitud de áreas científicas, como en la mejora de los procesos industriales, médicos, farmacológicos, agropecuarios, etcétera.

En relación a esto quiero exponer mi opinión sobre la tragedia que está sucediendo en nuestro país en el ámbito de la investigación, donde cada vez con más frecuencia se tiende a financiar con recursos públicos sólo aquellas investigaciones que tengan aplicación a corto plazo. Se olvidan de la importancia de estudios básicos sobre un aspecto tan prosaico en la biología de las bacterias como es la función de unas secuencias extrañas de ADN que se repetían y que, gracias al puro interés por el conocimiento de algunos científicos, se ha generado finalmente un cuerpo de conocimiento suficientemente sólido en torno a este campo como para cimentar el desarrollo de una de las tecnologías de edición genómica que más interés ha suscitado a nivel mundial. Ahí reside la ciencia, en querer ampliar los límites del conocimiento sin restringir las ideas que, en principio, carezcan de ánimo lucrativo.

De igual manera comento la poca relevancia que se ha dado a los investigadores españoles implicados en el hallazgo del CRISPR-Cas, en concreto a Francisco Mojica, la persona que primero anticipó la posible función del sistema CRISPR-Cas como mecanismo inmune bacteriano frente a infecciones por virus. Aunque formalmente F. Mojica no fue quién puso a punto la tecnología, resulta hiriente que no se reconociera su labor pionera en el campo cuando se galardonó a Emanuelle Charpentier y Jennifer Doudna con el premio Princesa de Asturias (2015).

Me parece un grave error menospreciar a los investigadores españoles de esta forma. Parece que todo en nuestro país nos cierra las puertas a la investigación: el poco presupuesto, la nula consideración por un buen trabajo y sobre todo la cegada visión de ampliar conocimientos mediante la investigación básica y fundamental. Lo único que mantiene la investigación en este país son los propios investigadores que, con los escasos recursos que logran recabar, sacrifican su tiempo con el objetivo de conocer qué hay más allá.

i^Arqueas: microorganismos unicelulares parecidos a bacterias (sin núcleo ni estructuras internas complejas) pero tan fundamentalmente diferentes a estas que conforman su propio dominio y reino.

ii^Genoma: conjunto de genes y disposición de los mismos en la célula.

iii^Palindrómicas: secuencias de ADN o ARN que se leen igual en un sentido y en el inverso, sinónimo de “capicúa”.

iv^Bhaya, D., Davidson, M. y Barrangou, R. (2011). CRISPR-Cas Systems in bacteria and archea: versatile small RNA for adaptive defense and regulation. Ann. Rev. Genet. 45:273-297.

v^Ishino, Y., Shinagawa, H., Makino, K., Amemura, M. y Nakata, A. (1987). Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product. J. Bacteriol. 169:5429-5433.

Mojica, F.J., Diez-Villaseñor, C., Soria, G. y Juez, G. (2000). Biological significance of a family of regularly spaced repeats in the genomes of Archaea, Bacteria and mitochondria. Mol. Microbiol. 36:244-246.

Jansen, R., van Embden J.D., Gaastra, W., y Schouls L. M. (2002). Identification of genes that are associated with DNA repeats in prokariotes. Mol. Microbiol. 43:1565-1575.