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 unas nucleasas, un tipo de enzimas capaz de cortar ácidos nucleico y las llamaron así porque su genes eran “CRISPR associated” (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 probablemente 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 ADN o ARN 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.

Está claro que a una bacteria le interesaría tener alguna forma de neutralizar a un virus que se mete en su interior. 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 denominan enzimas de restricción. 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 comenzó 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 ADN. Y en general es así. Pero también había sorpresas. Una zona del genoma de muchos microorganismos estaba llena de unas secuencias que parecían repeticiones palindrómicas sin ninguna función aparente. Estas repeticiones estaban separadas entre si. Justo delante de esas repeticiones hay una secuencia que se la denomina “líder”.

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 bacteria 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.  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 ese libro contienen esas 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 ARN producido a partir de las secuencias CRISPR. Si ocurre eso resulta que el material genético viral es inactivado y posteriormente degradado. Pero la cosa no se queda ahí. Las proteínas Cas hacen otra cosa además de destruir el material genético del virus. Resultan que son capaces de tomar una pequeña parte, 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.

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?

Ésa 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 ADN de un organismo, el virus, en el ADN 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. ¿Y no podría hacerlo con otros organismos? Pues la respuesta es sí. El sistema CRISPR/cas puede ser utilizado para introducir cualquier tipo de ADN en el ADN de cualquier tipo de ser vivo, sean estos bacterias, setas, plantas, insectos, peces, ratones, monos e incluso seres humanos. 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.

Y los primeros pasos ya se han dado. El Instituto Tecnológico de Massachusets 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 ARN unido a otro pequeño segmento de ADN. La función del segmento de ARN 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 ADN 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.

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 1987.

 

Enlaces de interés

 

FV Karginov y GJ Hannon. The CRISPR system: small RNA-guided defense in bacteria and archaea. Mol Cell. 2010 37:7-19. doi: 10.1016/j.molcel.2009.12.033.

Dana Carrol. A CRISPR Approach to Gene Targeting. Molecular Therapy (2012); 20 9, 1659–1660. doi:10.1038/mt.2012.171

H. Yine et al. Genome editing with Cas9 in adult mice corrects a disease mutation and phenotype. Nature Biotechnology (2014) doi:10.1038/nbt.2884

Helen Shen. CRISPR technology leaps from lab to industry. 2014. Nature News.

Janelle Weaver. CRISPR with a Twist. Biotechniques 2014.

Anne Trafton. Erasing a genetic mutation. MIT News. 2014

Genome editing for all. Editorial Nature Biotechnology 32, 295 (2014) doi:10.1038/nbt.2879

Orígen de las imágenes:

Ciclo lítico de un virus: http://biologiamedica.blogspot.com.es/2010/09/los-virus-ciclo-litico-y-lisogenico.html