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lunes, 12 de mayo de 2014

La revolución CRISPR/Cas



Ni CRISPR es el nombre de una nueva marca de aperitivo crujiente ni Cas es el nombre de un refresco para acompañarlo. La primera palabreja es el acrónimo de Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, que en español significa "Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas". La segunda es el nombre de una serie de proteínas, principalmente unas nucleasas, que las llamaron así por CRISPR associated genes (es decir: "genes asociados a CRISPR". No se rompieron la cabeza). Dicho así tampoco es que se aclaren mucho las cosas ¿no? Y sin embargo es posible que estemos contemplando el desarrollo de una tecnología genética que va a suponer una auténtica revolución comparable a la que supuso la famosa PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa) para las Ciencias Biológicas.

Vamos intentar describir lo que es CRISPR/Cas en una sola frase: es el sistema inmune de las bacterias. ¡Espere! No deje de leer todavía. No es tan descabellado como parece. En los vertebrados, incluidos los seres humanos, el sistema inmune es el conjunto de células y órganos encargados de defender al organismo de las infecciones provocadas por bacterias o virus. No es exclusivo de los vertebrados, ya que otro tipo de animales como los insectos, crustáceos, moluscos, incluso esponjas, también tienen un sistema inmune, aunque mucho más simple. Pero las bacterias son seres unicelulares, entonces ¿cómo puede tener una bacteria un "sistema inmune"?

Las bacterias también pueden ser infectadas, por ejemplo por virus. Ya hemos comentado en otros artículos anteriores que un virus es un pirata de la célula. Los virus que infectan bacterias son llamados bacteriófagos, o simplemente fagos. Los más simples están compuestos de un ácido nucleico que puede ser DNA o RNA como material genético, y de una envoltura proteica denominada cápside. De manera muy simple el ciclo biológico de un fago es el siguiente: el virus se une a la bacteria gracias a su cápside y le inyecta su ácido nucleico. Una vez dentro el ácido nucleico viral toma el control de las funciones celulares, sobre todo del proceso de biosíntesis de proteínas. A partir de ese momento, la bacteria sólo replica el material genético viral y sintetiza proteínas virales. Según se van acumulando en el interior de la célula se van ensamblando los nuevos virus, hasta que al final la bacteria revienta (se lisa) y los nuevos virus son liberados.

Ciclo lítico de un fago. Origen de la imagen: Biología Médica


Está claro que a una bacteria le interesaría tener alguna forma de neutralizar a un virus que se mete en su interior (o cualquier otro DNA extraño, como el de un plásmido). Una forma de hacerlo es tener unas enzimas que sean capaces de distinguir entre el material genético de la bacteria y entre el material genético vírico, y una vez hecha la distinción, destruir al material genético del virus. Esas enzimas se descubrieron en la segunda mitad del siglo XX y se le conoce como el sistema de restricción/modificación: las que destruyen el DNA foráneo se las denomina enzimas de restricción, y las que reconocen y modifican el DNA propio para que no sea destruido se las llama enzimas de modificación. Las primeras sobre todo son una de las herramientas más importantes dentro de la ingeniería genética. Pero hay otra forma de neutralizar a un virus que infecta a una bacteria: el sistema CRISPR/Cas.

La historia tuvo su origen cuando se comenzó a mapear los genomas completos de bacterias y otros microorganismos. Se esperaba que unos seres vivos tan pequeños tuvieran su información genética muy compactada en el DNA. Y en general es así. Pero también había sorpresas. Una zona del genoma de muchos microorganismos, sobre todo arqueas, estaba llena de unas secuencias que parecían repeticiones palindrómicas sin ninguna función aparente. Estas repeticiones estaban separadas entre si mediante unas secuencias denominadas "espaciadores" que se asemejaban a secuencias encontradas en virus y en plásmidos. Justo delante de esas repeticiones y "espaciadores" hay una secuencia que se la denomina "líder". Muy cerca de este agrupamiento se podían encontrar unos genes que codificaban para un tipo de nucleasas: los genes cas.


Estructura del locus CRISPR(A) Las secuencias repetidas de unos 32 pares de bases (gris oscuro) están intercaladas por las secuencias "espaciadoras" (colorines). El número de estas secuencias puede variar enormemente entre diferentes cepas bacterianas de la misma especie.(B) La secuencia conservda "líder" (en gris claro) de unos cuantos cientos de pares de bases está delante del agrupamiento de repeticiones y espaciadores (C) Los genes cas están cercanos al locus CRISPR. Se muestran la estructura de dicho locus en tres especies bacterianas como ejemplo. Fuente de la imagen: Karginov FV y Hannon GJ. Mol Cell 2010


Vamos a intentar explicar esta situación con una analogía. Supongamos que el genoma de la bacteria es como un libro de instrucciones. Imaginemos que ese libro se titula "Haga una Escherichia coli en 1000 fáciles lecciones". Las secuencias CRISPR sería como encontrar 50 páginas en las que sólo leyéramos decenas de frases palindrómicas como estas: "Daba la zorra arroz al abad", "¿Acaso hubo búhos acá?", "La ruta nos aportó otro paso natural", y esas frases separadas entre sí por una serie de textos que parecerían sacados de otros libros titulados "Cómo hacer un fago" o "Cómo hacer un plásmido". A primera vista pensaríamos que esas páginas contienen información sin sentido y que se trata de un error de imprenta. Pero si encontráramos que todos los ejemplares de otros libros dedicados a Streptococcus pyogenes o Pyrococcus furiosus contienen ese mismo tipo de páginas, entonces empezaríamos a pensar que deberían servir para algo.

Volvamos a los virus. Como hemos dicho antes esos seres son piratas de la célula. Siguiendo con la analogía del libro, un virus sería como una página suelta que si es capaz de integrarse en un libro, entonces se fotocopia de manera que acaba ocupando todas las páginas de ese libro. Es como si pusiéramos dentro de un ejemplar de "El Quijote" una página de las memorias de Belén Esteban y al final en lugar de la obra de Cervantes acabamos con un tocho de hojas de la teletertuliana. Pues bien, si esa página-virus se integra en un libro que contiene las páginas de palíndromos lo que observaríamos es que esa página-virus no se fotocopia, sino que es destruida. Son precisamente esas páginas que no parecen tener sentido las encargadas de dicha protección.

De manera muy simplificada, a nivel molecular lo que está ocurriendo es lo siguiente. Cuando el material genético del virus entra dentro de la bacteria debe de tomar el control de la maquinaria celular y para ello empieza a interaccionar con diversos componentes celulares. Pero puede darse el caso que interaccione con un complejo formado por una proteína Cas unida al RNA producido a partir de las secuencias CRISPR. Si ocurre eso, resulta que el material genético viral es inactivado y posteriormente degradado. Pero el asunto no se queda ahí. Las proteínas Cas hacen otra cosa además de destruir el material genético del virus. Resulta que son capaces de tomar una pequeña parte del DNA viral, modificarlo e integrarlo dentro del conjunto de secuencias CRISPR. De esa forma, si esa bacteria o su descendencia se encuentra con ese mismo virus, ahora inactivará de forma mucho más eficiente al material genético viral.


Funcionamiento del sistema CRISPR/Cas. Un virus ha introducido su DNA en la bacteria. A ese DNA se le ha unido un complejo que consiste en un tipo de proteína Cas (verde) que lleva unido un pequeño crRNA ("cr" por CRISPR). Esa unión inactiva al DNA viral y así puede ser degradado. El pequeño crRNA proviene del procesamiento de un crRNA de mayor tamaño por parte de otro tipo de proteína Cas (azul). Ese RNA es el producto de la transcripción de todas las secuencias CRISPR presentes en el genoma de la bacteria. En paralelo a la inactivación del DNA viral, otro tipo de proteínas Cas (rojo) reconocen al DNA viral y a partir de él crean un pequeño segmento que integraran en las secuencias CRISPR, de esa forma la bacteria formará complejos crRNA/Cas mucho más eficientes en su unión al DNA viral en caso de una nueva infección por el mismo virus. Imagen realizada a parir de material de la Wikipedia y del artículo Karginov FV y Hannon GJ. Mol Cell 2010 .


Recapitulemos. El llamado "sistema inmune de las bacterias" es simplemente un mecanismo por el cual se reconoce genoma viral, se inactiva y se destruye, al mismo tiempo que una parte de ese genoma viral se incorpora al genoma de la bacteria para así generar una protección más eficiente. Esto es el típico resultado de lo que llamamos Ciencia Básica. La humanidad ha adquirido un nuevo avance en el conocimiento sobre cómo funciona el mundo. ¡Bravo! ¡Estupendo! Pero, y esto, ¿para qué sirve?

Esa es la típica pregunta que se hace cualquier miembro de la sociedad. Y como científicos no debemos olvidar que lo que hacemos suele estar pagado con los impuestos del sufrido ciudadano, así que hay que rendirles cuentas y demostrarles que el conocimiento en ciencia básica puede que no tenga una aplicación útil inmediata, pero que la puede tener en el futuro, y ser tan importante que cambie por completo sus vidas y la de sus hijos. Eso es lo que sucedió antes con la internet, con el horno microondas y con los test para detectar enfermedades genéticas. Y también está pasando con el sistema CRISPR/Cas.

Como hemos visto antes, una de las cosas que hace el sistema CRISPR/Cas es introducir DNA de un organismo, el virus, en el DNA de otro organismo, la bacteria. Y lo hace con una precisión absoluta. Es el mejor sistema que conocemos para realizar esa integración. En relación con los sistemas anteriores que se utilizaban en ingeniería genética sería como comparar un serrucho con una sierra eléctrica. No es de extrañar que la revista Nature le dedicara una portada a la proteína Cas9 (puede verse arriba) ¿Y este sistema no podría usarse con otros organismos? Pues la respuesta es sí. El sistema CRISPR/Cas puede ser utilizado para introducir cualquier tipo de DNA en el DNA de cualquier tipo de ser vivo, sean estos bacterias, setas, plantas, insectos, peces, ratones, monos e incluso seres humanos (esto último aún no se ha hecho). Es decir, el sistema CRISPR/cas va camino de convertirse en una herramienta que nos va a permitir por ejemplo hacer terapia génica con gran precisión y así tratar enfermedades como la hemofilia o la enfermedad de Huntington.


Funcionamiento de la enzima Cas9. Esta nucleasa tien dos sitios activos que pueden romper cada una de las cadenas de una doble hélice de DNA. La enzima es guiada a una secuencia concreta de DNA que queremos cortar gracias a unas secuencias denominadas PAM (por las siglas en inglés de motivos adyacentes a los protoespaciadores) y que pueden ser sintetizadas a medida en el laboratorio. La molécula de DNA puede ser vuelta a ligar gracias a los sistemas de reparación. Pero si hay presente un DNA dondador homólogo a la secuencia que ha sido cortada entonces puede introducirse por recombinación homóloga y de esa forma realizar un inserción genética dirigida tanto en bacterias, líneas célulares de mamíferos, o embriones de pez zebra. Origen de la imagen: Emmanuelle Charpentier y Jennifer A. Doudna. Nature 2013.


Y los primero pasos ya se han dado. El Instituto Technológico de Massachuset anunció el pasado 30 de marzo que había conseguido curar a un ratón adulto de una enfermedad hepática de carácter genético utilizando el sistema CRISPR/Cas. Los ratones estaban afectados de tirosinemia de tipo I, una enfermedad en el que el gen que codifica la que la enzima fumarilacetoacetato hidrolasa (FAH) no funciona por una mutación. Esta enzima se encuentra en los hepatocitos, las células del hígado, y si no funciona entonces el aminoácido tirosina no se degrada correctamente por lo que se acumula fumarilacetoacetato, lo que acaba causando fallos en el hígado y en los riñones. Esta enfermedad también se da en humanos, su incidencia es de 1 entre 100.000 nacimientos y puede provocar retraso mental, problemas hepáticos graves e incluso la muerte. Hay un tratamiento paliativo a base de una dieta baja en proteínas y administrando nitisinona. Otra posibilidad es realizar un trasplante hepático.

Lo que hicieron los investigadores fue inyectar en una vena de los ratones a la proteína Cas-9 con un segmento de RNA unido a otro pequeño segmento de DNA. La función del segmento de RNA es indicar a la proteína Cas-9 dónde tenía que cortar en el gen FAH dentro del genoma de las células de ratón. La función del segmento de DNA era integrarse en ese gen y sustituir la mutación deletérea por la secuencia correcta del gen FAH. La inserción y sustitución sólo funcionó en 1 de cada 250 hepatocitos, pero esas células ya eran normales y sanas. Y mientras las portadoras de la mutación se morían por el acúmulo de fumarilacetoacetato, las sanas las iban remplazando. En 30 días un tercio de todas las células de los hígados de los ratones tratados eran células curadas y los roedores podían sobrevivir sin tratamiento.

Los ratones Fahmut/mut portan una mutación homocigótica en la que una Guanina ha sido sustituida por una Adenina en el último nucleótido del exon 8. Esta mutación causa que el exon 8 sea removido durante el procesamiento del mRNA del gen Fah lo que da lugar a una proteína totalmente inactiva (representado por los segmentos debajo de la secuencia). Lo que se hace es inyectar proteína Cas9 junto con un crRNA diseñado para ser dirigido al lugar donde está la mutación y un DNA de cadena sencilla (ssDNA) que porta la secuencia correcta. En las microfotografías de la parte inferior puede verse una tinción de hematoxilina-eosina (H&E) de secciones del hígado provenientes de ratones tratados después de 30 días. Al la izquierda se ve la de un ratón sin la mutación (Fah+/+, un ratón Fahmut/mut al que se le ha inyectado ssDNa y Cas9 sin el crARN-guía y el , y un ratón Fahmut/mut al que se le ha inyectado ssDNA y Cas9 con el crRNA-guía. En las microfotografías superiores la barra representa 100 μm y en las inferiores 20 μm . Nótese la aparición de células sanas que aparecen en el ratón tratado con Cas9 guiado. Fuente de la imagen: Yin et al. Nature Biotechnology 2014.

Este es sólo un ejemplo de los muchos trabajos que se están realizando con este sistema. Según la revista Nature Biotechnology, en el último año y medio se han publicado más de 125 artículos científicos y se han fundado tres compañías biotecnológicas dedicadas a comercializar y mejorar este sistema. El último mes, las Universidades de California de San Francisco (UCSF) y de Berkeley (UCB), y la Fundación Li Ka Shing habían invertido 12 millones de dólares en la creación de la Iniciativa de Innovación Genómica (IGI) dedicada a acelerar la adopción de esta tecnología. No está mal como aplicación de un descubrimiento de Ciencia Básica realizado en bacterias en el año 1987.

Esta entrada participa en la edición XXX carnaval de la Biología alojada en Activa tu neurona y en la edición Br (XXXV) del carnaval de la Química alojada en Ciencia para todos

ResearchBlogging.org

Karginov, F., & Hannon, G. (2010). The CRISPR System: Small RNA-Guided Defense in Bacteria and Archaea Molecular Cell, 37 (1), 7-19 DOI: 10.1016/j.molcel.2009.12.033

Shen, H. (2013). CRISPR technology leaps from lab to industry Nature DOI: 10.1038/nature.2013.14299

Charpentier, E., & Doudna, J. (2013). Biotechnology: Rewriting a genome Nature, 495 (7439), 50-51 DOI: 10.1038/495050a

Yin, H., Xue, W., Chen, S., Bogorad, R., Benedetti, E., Grompe, M., Koteliansky, V., Sharp, P., Jacks, T., & Anderson, D. (2014). Genome editing with Cas9 in adult mice corrects a disease mutation and phenotype Nature Biotechnology DOI: 10.1038/nbt.2884

5 comentarios:

Esteban Fernández Moreira dijo...

Bravo! Fantástica entrada! El sistema CRISP/cas por fin de forma amena y clara!

Esteban Fernández Moreira dijo...

Bueno, bueno... y los fagos sacando partido del sistema CRISP/cas para su propio beneficio ¿Qué dices de este Nature?

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23446421

Manuel Sánchez dijo...

Hola

Muchas gracias Esteban. El Nature lo conocía pero decidí no ponerlo porque se me hacía demasiado largo el post. De hecho estoy pensando en una especie de 2ª parte dedicada a sus múltiples aplicaciones porque este sistema se está usando para un montón de cosas y lo de los ratones ha sido lo penúltimo.

Amaranta Armesto Jiménez dijo...
Este comentario ha sido eliminado por el autor.
Elena Guzmán dijo...

enhorabuena por la claridad en la explicación! gracias por compartir, yo compartiré el link con mis estudiantes ;) es impresionante la velocidad a la que avanza el tema, estoy leyendo la entrada un año después de su publicación y .. ya hay avances!