211service.com
Cirugía del genoma
Las formas precisas y fáciles de reescribir los genes humanos podrían finalmente proporcionar las herramientas que los investigadores necesitan para comprender y curar algunas de nuestras enfermedades genéticas más mortales. 11 de febrero, 2014
Durante la última década, a medida que la tecnología de secuenciación de ADN se ha vuelto cada vez más rápida y barata, nuestra comprensión del genoma humano ha aumentado en consecuencia. Sin embargo, hasta hace poco, los científicos se han mantenido en gran medida torpes cuando intentaron modificar directamente los genes en una célula viva. Tomemos como ejemplo la anemia de células falciformes. Una enfermedad debilitante y a menudo mortal, es causada por una mutación en solo uno de los tres mil millones de pares de bases de ADN de un paciente. Aunque este error genético es simple y está bien estudiado, los investigadores no pueden corregirlo y detener sus efectos devastadores.
Ahora hay esperanza en la forma de nuevas herramientas de ingeniería del genoma, particularmente una llamada CRISPR. Esta tecnología podría permitir a los investigadores realizar microcirugía en genes, cambiando de forma precisa y sencilla una secuencia de ADN en ubicaciones exactas de un cromosoma. Junto con una técnica llamada TALEN, inventada hace varios años, y un predecesor un poco más antiguo basado en moléculas llamadas nucleasas de dedos de zinc, CRISPR podría hacer que las terapias génicas se apliquen de manera más amplia, proporcionando remedios para trastornos genéticos simples como la anemia de células falciformes y, finalmente, incluso conduciendo a cura para enfermedades más complejas que involucran múltiples genes. La mayoría de las terapias genéticas convencionales colocan de manera burda el nuevo material genético en una ubicación aleatoria de la célula y solo pueden agregar un gen. Por el contrario, CRISPR y las otras herramientas nuevas también brindan a los científicos una forma precisa de eliminar y editar fragmentos específicos de ADN, incluso cambiando un solo par de bases. Esto significa que pueden reescribir el genoma humano a voluntad.
Esta historia fue parte de nuestro número de marzo de 2014
- Ver el resto del número
- Suscribir
Es probable que pasen al menos varios años antes de que tales esfuerzos puedan convertirse en terapias humanas, pero un número creciente de investigadores académicos ha visto cierto éxito preliminar con experimentos relacionados con la anemia falciforme, el VIH y la fibrosis quística (consulte la tabla siguiente). Uno es Gang Bao, investigador de bioingeniería en el Instituto de Tecnología de Georgia, que ya ha utilizado CRISPR para corregir la mutación de células falciformes en células humanas cultivadas en un plato. Bao y su equipo comenzaron el trabajo en 2008 utilizando nucleasas de dedos de zinc. Cuando salió TALENs, su grupo cambió rápidamente, dice Bao, y luego comenzó a usar CRISPR cuando esa herramienta estuvo disponible. Si bien tiene la ambición de trabajar eventualmente en una variedad de enfermedades, Bao dice que tiene sentido comenzar con la anemia de células falciformes. Si elegimos una enfermedad para tratar mediante la edición del genoma, deberíamos comenzar con algo relativamente simple, dice. Enfermedad causada por una sola mutación, en un solo gen, que involucra a un solo tipo de célula.
Bao tiene una idea de cómo funcionaría tal tratamiento. Actualmente, los médicos pueden curar un pequeño porcentaje de pacientes con anemia falciforme al encontrar un donante humano cuya médula ósea sea compatible inmunológicamente; Luego, los cirujanos pueden reemplazar algunas de las células madre de la médula ósea del paciente con células donadas. Pero estos donantes deben coincidir con precisión con el paciente, e incluso entonces, el rechazo inmunológico, un problema potencialmente mortal, es un riesgo grave. La cura de Bao evitaría todo esto. Después de recolectar precursores de células sanguíneas llamadas células madre hematopoyéticas de la médula ósea de un paciente con anemia falciforme, los científicos usarían CRISPR para corregir el gen defectuoso. Luego, las células madre corregidas por genes se devolverían al paciente, produciendo glóbulos rojos sanos para reemplazar las células falciformes. Incluso si podemos reemplazar el 50 por ciento, el paciente se sentirá mucho mejor, dice Bao. Si reemplazamos el 70 por ciento, el paciente se curará.
Aunque la edición del genoma con CRISPR tiene poco más de un año, ya está reinventando la investigación genética. En particular, brinda a los científicos la capacidad de realizar de forma rápida y simultánea múltiples cambios genéticos en una célula. Muchas enfermedades humanas, incluidas las enfermedades cardíacas, la diabetes y diversas afecciones neurológicas, se ven afectadas por numerosas variantes tanto en los genes de la enfermedad como en los genes normales. Descubrir esta complejidad con modelos animales ha sido un proceso lento y tedioso. Para muchas preguntas en biología, queremos saber cómo interactúan los diferentes genes, y para ello necesitamos introducir mutaciones en múltiples genes, dice Rudolf Jaenisch, biólogo del Instituto Whitehead en Cambridge Massachusetts. Pero, dice Jaenisch, el uso de herramientas convencionales para crear un ratón con una sola mutación puede llevar hasta un año. Si un científico quiere un animal con múltiples mutaciones, los cambios genéticos deben realizarse de forma secuencial y la línea de tiempo para un experimento puede extenderse a años. Por el contrario, Jaenisch y sus colegas, incluido el investigador del MIT Feng Zhang (miembro de nuestra lista de 35 innovadores menores de 35 años en 2013), informaron la primavera pasada que CRISPR les había permitido crear una cepa de ratones con múltiples mutaciones en tres semanas.
Debido a que un sistema CRISPR puede diseñarse fácilmente para apuntar a cualquier gen específico, la tecnología permite a los investigadores realizar experimentos que sondean una gran cantidad de ellos. En diciembre, los equipos dirigidos por Zhang y el investigador del MIT Eric Lander crearon bibliotecas de CRISPR, cada una de las cuales se dirige a un gen humano diferente. Estas vastas colecciones, que representan casi todos los genes humanos, se han puesto a disposición de otros investigadores. Las bibliotecas prometen acelerar los estudios de todo el genoma sobre la genética del cáncer y muchas otras enfermedades humanas.
GPS del genoma
La industria de la biotecnología nació en 1973, cuando Herbert Boyer y Stanley Cohen insertaron ADN extraño que habían manipulado en el laboratorio en bacterias. En unos pocos años, Boyer había cofundado Genentech y la empresa había comenzado a utilizar E. coli modificado con un gen humano para fabricar insulina para diabéticos. En 1974, Jaenisch , luego en el Instituto Salk de Estudios Biológicos en San Diego, creó el primer ratón transgénico usando virus para aumentar el genoma del animal con un poco de ADN de otra especie. En estos y otros ejemplos tempranos de ingeniería genética, sin embargo, los investigadores se limitaron a técnicas que insertaban el ADN extraño en la célula al azar. Todo lo que podían hacer era esperar lo mejor.
Pasaron más de dos décadas antes de que los biólogos moleculares se volvieran expertos en cambiar de manera eficiente genes específicos en genomas animales. Dana Carroll, de la Universidad de Utah, reconoció que las nucleasas de dedos de zinc, proteínas diseñadas por colegas de la Universidad Johns Hopkins en 1996, podrían usarse como una herramienta programable de selección de genes. Un extremo de la proteína puede diseñarse para reconocer una secuencia de ADN particular; el otro extremo corta el ADN. Cuando una célula repara naturalmente esos cortes, puede parchear su genoma copiando el ADN extraño suministrado. Si bien la tecnología finalmente permitió a los científicos realizar cambios con confianza donde quisieran en un cromosoma, es difícil de usar. Cada modificación requiere que el investigador diseñe una nueva proteína adaptada a la secuencia objetivo, una tarea difícil que requiere mucho tiempo y que, debido a que las proteínas son meticulosas, no siempre funciona.
Las TALEN, otro avance significativo en la edición de genes, se produjo en 2010. Las TALEN también son proteínas que encuentran y cortan una secuencia de ADN deseada, pero adaptarlas a nuevos objetivos genéticos es mucho más fácil. Sin embargo, si bien representaron una gran mejora con respecto a los dedos de zinc, las TALEN son proteínas grandes con las que es incómodo trabajar y administrarlas a las células.
CRISPR lo cambió todo. Reemplaza las proteínas que se dirigen al ADN con un poco de ARN que se aloja en los genes deseados. A diferencia de las proteínas complejas, el ARN, que tiene casi la misma estructura simple que el ADN, se puede producir de forma rutinaria en el laboratorio; un técnico puede sintetizar rápidamente las secuencias de aproximadamente 20 letras que requiere el método. El sistema facilita a los investigadores médicos la modificación de un genoma reemplazando, eliminando o agregando ADN.
En poco más de un año, CRISPR ha comenzado a reinventar la investigación genética.
CRISPR significa repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas: grupos de secuencias breves de ADN que se leen de manera similar hacia adelante y hacia atrás, que se encuentran en muchos tipos de bacterias. Los científicos observaron por primera vez los desconcertantes segmentos de ADN en la década de 1980, pero durante casi dos décadas no comprendieron que son parte de un sistema de defensa bacteriano. Cuando un virus ataca, las bacterias pueden incorporar secuencias de ADN viral en su propio material genético, intercalando entre los segmentos repetitivos. La próxima vez que las bacterias se encuentren con ese virus, utilizarán el ADN de estos grupos para producir ARN que reconozcan las secuencias virales coincidentes. Una proteína adherida a uno de estos ARN luego corta el ADN viral.
En 2012, Emmanuelle Charpentier, microbióloga médica que estudia patógenos en el Centro Helmholtz para la Investigación de Infecciones, y Jennifer Doudna , un colaborador de la Universidad de California en Berkeley, demostró que podían usar un solo ARN junto con la proteína de corte, una enzima llamada Cas9, para cortar cualquier secuencia deseada de ADN en tubos de ensayo. Todavía era incierto si el método funcionaría en células animales, pero en enero de 2013 se produjo un avance espectacular. Zhang y George Church, un genetista de la Escuela de Medicina de Harvard, informaron por separado que el sistema CRISPR / Cas9 podría usarse para la edición de genes en las células de los animales, incluidos los humanos.
Ahora, un investigador que quiera buscar un nuevo gen solo necesita sintetizar la proteína Cas9 y un poco de ARN que coincida con las secuencias de la región objetivo. Luego, el ARN guía la enzima hacia el ADN que el investigador quiere cortar. Y debido a que se usa la misma proteína de corte independientemente del objetivo, los investigadores pueden diseñar experimentos en los que cambien múltiples genes en un organismo simultáneamente usando Cas9 y múltiples guías de ARN. Ofrece el potencial para hacer experimentos que en el pasado eran muy difíciles o esencialmente imposibles, dice Doudna.
Misterios complejos
Zhang del MIT, que es miembro del Instituto Broad y del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro, está interesado en la genética detrás de las enfermedades mentales. Para tratar de comprender estas complejas condiciones, Zhang ha ayudado a desarrollar múltiples herramientas de modificación de genes y neuronas, incluidos TALEN y optogenética, una técnica que implica controlar la actividad neuronal con luz láser. Cuando escuchó por primera vez sobre CRISPR, en 2011, comenzó a diseñarlo para su uso en células humanas. Ahora está usando CRISPR para ayudar a revelar los secretos genéticos detrás de condiciones tan devastadoras y poco conocidas como la esquizofrenia y el autismo.
La herramienta le permite a Zhang comenzar a probar sistemáticamente algunas de las variantes de ADN que se han relacionado con las enfermedades. Si bien se ha avanzado mucho durante la última década hacia la identificación de genes que son comunes en personas con estas afecciones, comprender cómo estos genes se relacionan con los síntomas es un desafío abrumador. Lo que aprende de la secuenciación es solo una observación, dice Zhang: para comprender si un gen sospechoso realmente está causando la afección, debe introducir la mutación específica en células u organismos sanos y ver qué sale mal. Si la célula u organismo mutado tiene características que imitan la enfermedad humana, eso es evidencia que implica al gen.
Zhang puede recrear, tanto en ratones de laboratorio como en células humanas cultivadas, variantes genéticas que se encuentran en personas con autismo y esquizofrenia. Puede poner una mutación humana en el gen correspondiente en un animal de laboratorio y luego ver: ¿ese animal se vuelve menos social o tiene un déficit de aprendizaje? él dice. Luego, agrega, puede estudiar las diferencias en el comportamiento y la fisiología de las neuronas cultivadas en laboratorio a partir de células madre que han sido modificadas con la misma mutación. Con mutaciones de un solo gen, comenzaremos a ver aspectos de la función biológica que están involucrados en el autismo, dice.
Zhang también está usando CRISPR para realizar múltiples cambios genéticos a la vez. Eso se vuelve particularmente importante con enfermedades complejas como el autismo y la esquizofrenia, que en su mayor parte no son causadas por el tipo de cambio único en el ADN detrás de la anemia de células falciformes. Diferentes pacientes se ven afectados por diferentes colecciones de mutaciones. Resolver un rompecabezas de tan inmensa complejidad requerirá estudios amplios y sistemáticos sobre los efectos de varios genes y la forma en que interactúan. CRISPR hace posibles estos estudios, dice Zhang, y será importante para encontrar tratamientos para una variedad de enfermedades complejas. Comprenderemos más sobre las vías y los mecanismos de las enfermedades, dice. Este conocimiento informará todo tipo de desarrollo de fármacos.
Bebes diseñadores
A fines del año pasado, Doudna, Zhang, Church y otros dos pioneros de la edición del genoma fundaron una startup que desarrollará tratamientos novedosos para enfermedades genéticas humanas. En noviembre, la empresa Medicamentos emitidos , anunció que había recaudado $ 43 millones en capital de riesgo y dijo que planea usar tecnologías de edición del genoma contra una amplia gama de enfermedades.
El lanzamiento de Editas debería beneficiarse de un resurgimiento del interés en la terapia génica gracias a años de mejoras tecnológicas, incluidos mecanismos más seguros para administrar el tratamiento. El panorama ha cambiado para la terapia genética, dice Church. (Todavía no hay terapias génicas aprobadas en los Estados Unidos, aunque algunas se encuentran en ensayos en humanos). Pero él dice que las terapias que desarrollará Editas serán fundamentalmente diferentes de los enfoques más antiguos que usan un virus para insertar un gen en las células.
Quizás los científicos podrían reescribir genes normales para que los humanos pudieran combatir mejor las infecciones.
Hacer un cambio o una eliminación está fuera del alcance de la mayoría de esos métodos virales simples, dice Church. Y eliminar un poco de ADN, en lugar de agregar un gen, puede ser la clave para tratar muchas enfermedades. Tomemos la enfermedad de Huntington. La enfermedad cerebral fatal surge de la acumulación de una proteína tóxica en las neuronas. Agregar una copia sana del gen a la célula no afectaría la actividad venenosa de esa proteína: la versión disfuncional original debe reescribirse. Con las nuevas herramientas de edición del genoma, dice Church, es posible reescribir el ADN defectuoso: no está limitado a volver a agregar algo que falta. Y, añade, cuando empiezas a darte cuenta de que las versiones más comunes de los genes no son necesariamente las versiones ideales, te das cuenta de que este es un campo mucho más amplio. Quizás los científicos podrían reescribir genes normales para que los humanos puedan combatir mejor las enfermedades infecciosas. Incluso podrían alterar las vías moleculares implicadas en el envejecimiento.
Church también predice que si la edición del genoma se usa para curar enfermedades infantiles, algunos científicos se verán tentados a usarla para diseñar embriones durante la fertilización in vitro. Los investigadores ya han demostrado que la edición del genoma puede reescribir las secuencias de ADN en embriones de rata y ratón, y a finales de enero, investigadores en China informaron que habían creado monos modificados genéticamente utilizando CRISPR. Con tales técnicas, el genoma de una persona podría editarse antes del nacimiento o, si se hicieran cambios en los óvulos o en las células productoras de esperma de un posible padre, incluso antes de la concepción.
Estas posibilidades plantean cuestiones éticas. Pero si los investigadores demuestran que pueden corregir enfermedades de forma segura mediante la edición del genoma, es inevitable que algunos padres también quieran alterar los genomas de embriones sanos. Si puede prevenir el retraso mental con la terapia génica, suponiendo que eso sea permisible, entonces hay una amplia gama de desafíos intelectuales que se discutirán, dice Church.
Es probable que tales discusiones se intensifiquen a medida que CRISPR se utilice más ampliamente. Sin embargo, por ahora, la tecnología aún está evolucionando: mientras que investigadores como Bao, Church y Zhang esperan finalmente curar algunas de nuestras enfermedades más intratables, gran parte de su tiempo todavía se dedica simplemente a ajustar la herramienta y explorar sus posibilidades. Pero incluso en estos primeros días, CRISPR ya ha transformado la forma en que estos investigadores piensan sobre la manipulación del genoma. Ya no son torpes.