Nuevas técnicas de edición genética mediante CRISPR para reparar mutaciones de una sola base

Investigadores del Instituto Broad han perfeccionado la técnica CRISPR para poder modificar bases individuales en el ARN (imagen) y el ADN. [Susanna M. Hamilton, Broad Communications, Instituto Broad]

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Edición genética: CRISPR Edición genética: CRISPR

La técnica de edición genética CRISPR-Cas está revolucionando la biotecnología porque, a diferencia de otros métodos, permite modificar el genoma con una enorme precisión y eficacia. Ello ha llevado a investigadores de campos muy diversos a utilizarla con numerosos fines, desde la reparación de mutaciones que causan enfermedades hasta la mejora de cultivos agrícolas. Pero ¿qué la distingue de otras técnicas de modificación genética? ¿Qué riesgos conlleva su empleo indiscriminado? Este monográfico (en PDF) recoge nuestra selección de artículos sobre el descubrimiento de CRISPR-Cas, sus múltiples aplicaciones y el debate ético que genera su uso.

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Las herramientas disponibles para editar genes se han ampliado esta semana: dos grupos de investigación han anunciado nuevas técnicas que permiten realizar alteraciones específicas en el ADN y el ARN. A diferencia del sistema original de edición genética CRISPR, una forma algo impredecible de tijeras moleculares que corta secciones considerables de ADN, los nuevos sistemas permiten sustituir bases nitrogenadas (las letras del código genético) de forma individual. La capacidad de alterar bases únicas abre la posibilidad de corregir más de la mitad de todas las enfermedades genéticas humanas.

Las nuevas técnicas, desarrolladas por separado por dos equipos del Instituto Broad, en Cambridge (Massachusetts), son adaptaciones del sistema CRISPR. Mientras que la mayoría de los intentos anteriores de usar métodos basados en CRISPR para reparar bases individuales han dado resultados groseros (como si se empleara un machete para eliminar una verruga), las nuevas técnicas son más parecidas a una «cirugía química de precisión», comenta David Liu, biólogo químico del Instituto Broad, quien dirigió uno de los estudios.

El año pasado, su grupo describió el primer método de «edición de bases» para convertir una letra de ADN concreta en otra sin necesidad de cortar la doble hélice del genoma (como hace la técnica CRISPR clásica). Desde entonces, ese método se ha utilizado en todo el mundo para corregir genes en hongos, plantas, peces y ratones, e incluso en embriones humanos que albergan un gen defectuoso que puede causar un trastorno sanguíneo. Pero ese editor de bases solo lograba llevar a cabo dos tipos de conversiones químicas: una citosina (C) en una timina (T) o una guanina (G) en una adenina (A).

El nuevo editor de bases, descrito en un artículo recién publicado en Nature, funciona en la dirección contraria: convierte T en C o A en G. Por lo tanto, es capaz de corregir los tipos más comunes de mutaciones puntuales, en las que se producen anomalías de una única base.

En células embrionarias de riñón humano y células de cáncer de hueso, la técnica logró las correcciones deseadas con aproximadamente un 50 por ciento de eficacia. En comparación, un método más convencional basado en CRISPR, en el que los científicos insertan una cadena de ADN que contiene el cambio de base deseado, reparó las mismas diferencias de una sola base con menos del 5 por ciento de eficacia, y a menudo provocó inserciones o eliminaciones no deseadas de grandes fragmentos de ADN.

«Se trata de un gran avance en el campo de la edición del genoma», apunta Jin-Soo Kim, genetista molecular de la Universidad Nacional de Seúl.

Edición de bases del ARN

Otro método, descrito en un estudio recién publicado en Science y dirigido por el bioingeniero del Instituto Broad Feng Zhang, lleva a cabo una conversión similar, pero esta vez en el ARN, en lugar del ADN. Convierte una adenina (A) en inosina (I), la cual es interpretada como guanina (G) por la maquinaria celular de síntesis de proteínas. Ello permite reparar temporalmente una mutación causante de una enfermedad sin alterar de forma permanente el genoma, una opción que puede resultar más segura, cuando se trata de terapias correctoras de genes, aunque implicaría administrar el tratamiento de modo repetido. También permitiría a los investigadores ajustar o modificar un tratamiento a medida que vayan entendiendo mejor la enfermedad.

La edición de ARN desarrollada por su equipo se basa en el empleo de una enzima natural que reorganiza los átomos de la adenina (A) para que se asemeje a la inosina (I). Los autores unieron esa enzima a una versión alterada del sistema CRISPR (en ella intervenía Cas13, una enzima que actúa sobre el ARN, en lugar de la habitual Cas9, que actúa en el ADN). Con la ayuda de una molécula de ARN guía de secuencia específica, corrigieron con éxito las mutaciones causantes de enfermedades entre el 23 y el 35 por ciento de las veces, con escasos errores (acciones realizadas fuera del objetivo).

En el método de edición de bases iniciado por el equipo de Liu el año pasado, los investigadores diseñaron una enzima natural y la unieron a Cas9, lo que les permitió convertir C a T. Pero no hay una enzima equivalente en la naturaleza que permita llevar a cabo la conversión contraria en el ADN. De modo que los investigadores comenzaron con una enzima de edición de ARN similar a la utilizada por el grupo de Zhang.

El equipo guió la evolución de células bacterianas a lo largo de siete generaciones y modificó proteínas en el laboratorio para crear una enzima que reconociera y manipulara el ADN. La enzima logró reorganizar átomos de la adenina para convertirla en una inosina, que la célula interpreta como guanina. Luego, el sistema engañó a la célula para que insertara una citosina en la cadena de ADN no modificada.

Mediante el empleo de células embrionarias de riñón humano, los investigadores han descubierto una manera de editar letras específicas del genoma.

«La posibilidad de realizar cuatro tipo conversiones de una única base, de la A a la G, de la G a la A, de la C a la T y de la T a la C, resultará extraordinariamente valiosa para una edición terapéutica y agronómica precisa», comenta Caixia Gao, genetista vegetal del Instituto de Genética y Biología del Desarrollo de la Academia China de Ciencias en Beijing.

También podría ser útil en el descubrimiento de fármacos y en el almacenamiento de datos basados en ADN, apunta Marcello Maresca, investigador de edición genética en AstraZeneca en Gotemburgo, Suecia.

El desarrollo de cualquier otro editor de bases requerirá enzimas que no existen en la naturaleza, incluso para llevar a cabo conversiones en el ARN. Pero ese tipo de obstáculo no ha detenido a Liu hasta ahora. «Seguiremos intentándolo hasta que la comunidad haya desarrollado todos los editores de base posibles», concluye.

Elie Dolgin / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencias:

«Programmable base editing of A·T to G·C in genomic DNA without DNA cleavage». Nicole M. Gaudelli, et al. en Nature, publicado en línea, 27 de octubre de 2017.
«RNA editing with CRISPR-Cas13». David B. T. Cox et al. Science: eaaq0180, 25 de octubre de 2017.

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