Investigadores del Instituto Salk de California (Estados Unidos) han empleado el sistema CRISPR-Cas para tratar diversas enfermedades en ratones sin necesidad de alterar su ADN. El equipo del español Juan Carlos Izpisúa ha demostrado que es posible utilizar el 'bisturí molecular' para encender y apagar los interruptores que controlan nuestro genoma sin modificar el ADN. Sus resultados, publicados en la revista Cell, abren la puerta al desarrollo de tratamientos más seguros contra diversas enfermedades.
Los científicos han diseñado una nueva técnica basada en CRISPR-Cas9 que consigue corregir mutaciones asociadas a patologías como la diabetes, la insuficiencia aguda de riñón y la distrofia muscular en modelos animales actuando sobre los marcadores epigenéticos. Aunque esta no es la primera vez que se borran mutaciones sin alterar el ADN, el enfoque del grupo de Izpisúa es pionero al hacer que la edición genómica actúe sobre los interruptores que 'encienden' y 'apagan' la expresión de nuestros genes. El trabajo publicado en Cell muestra que la herramienta funciona in vivo al aliviar los síntomas que padecían los ratones de experimentación.
"Cortar el ADN abre la puerta a la introducción de nuevas mutaciones. Eso es algo que siempre va a estar con nosotros [si usamos] CRISPR o cualquier otra herramienta que desarrollemos que modifique el genoma. Es un gran cuello de botella en el campo de la genética: la posibilidad de que la célula, después de que el ADN haya sido alterado, pueda dar lugar a errores perjudiciales", asegura Juan Carlos Izpisúa, líder de la investigación. Su equipo del Instituto Salk ha colaborado con el Hospital Clínic de Barcelona, la Universidad de California, la Clínica Cemtro de Madrid y la Universidad Católica de Murcia, demostrando por primera vez que es factible alterar el fenotipo de un animal (el conjunto de características visibles) mediante una tecnología que edita el epigenoma, preservando de forma simultánea la integridad del ADN.
Qué es y cómo funciona CRISPR-Cas
El sistema CRISPR-Cas es un mecanismo de inmunidad adaptativa que presentan las bacterias para defenderse del ataque de los virus. En el caso de que un microorganismo sea infectado por un virus, activará su maquinaria celular para 'guardar' un fragmento del genoma del virus en su propio ADN. De este modo, si dicha partícula vírica vuelve a atacar a la bacteria o a su progenie, el microbio será capaz de 'encender' la herramienta CRISPR-Cas, que funciona como una suerte de 'bisturí molecular', para cortar el virus y frenar su ataque. Este mecanismo microbiano fue descubierto hace tres décadas, y a lo largo de los últimos años se ha investigado su importante función biológica para que las bacterias puedan defenderse del ataque de virus, unos estudios en los que ha sido pionero el español Francis Mojica.
A partir de 2012, las investigaciones realizadas por Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier primero, y Feng Zhang y George Church después, permitieron idear nuevas aplicaciones para el sistema CRISPR-Cas. Los científicos se dieron cuenta de que este potente 'bisturí molecular' también servía para editar el genoma en bacterias y en células de mamífero, incluidas las de origen humano, lo que abría la puerta al desarrollo de posibles terapias génicas.
La técnica CRISPR-Cas9 funciona como una suerte de bisturí capaz de cortar las dos hebras del ADN. A continuación, existen dos vías posibles para subsanar el corte. El primero es la unión de extremos no homólogos, una posibilidad por la que nuestras propias células 'pegan' los trozos cortados; como si se tratase de una herida, esta vía causa 'cicatrices' en el ADN, ya que se pueden producir inserciones o deleciones de genes. La segunda posibilidad es la recombinación homóloga, por la que los investigadores introducen una secuencia de ADN como si fuera una 'tirita' para cerrar la herida, de forma que el genoma incorpora dicha secuencia en el lugar del fragmento de ADN que se cortó previamente. Los experimentos realizados para probar el potencial de CRISPR-Cas9 como supuesta terapia génica habían utilizado normalmente el segundo mecanismo: el objetivo era cortar la zona defectuosa del ADN para pegar una 'tirita' con la secuencia genética que corregía la mutación y así eliminar el defecto en el ADN.
Actuar sobre el epigenoma sin cambiar el ADN
La metodología ideada por Izpisúa se basa en el uso de dos virus adenoasociados (AAV, por sus siglas en inglés), con el objetivo de encapsular las herramientas para editar el epigenoma e introducirlas en ratones recién nacidos. Uno de los virus sirvió para empaquetar el gen que codifica Cas9, el 'bisturí' que generalmente sirve para cortar las dos hebras de ADN, aunque en este caso no haya sido necesario. En el segundo virus, los científicos introdujeron la guía de ARN, que funciona como una especie de 'mano' para dirigir el 'bisturí molecular'. Esta secuencia de ácido ribonucleico cuenta con 14-15 nucleótidos, a diferencia de los 20 nucleótidos que suelen presentar la mayor parte de guías de ARN empleadas en los sistemas CRISPR-Cas diseñados hasta la fecha. El objetivo es precisamente que la 'mano' guíe al bisturí hacia la secuencia diana en el genoma y, una vez allí, la proteína Cas9 no pueda cortar, ya que el objetivo es precisamente actuar sobre el epigenoma (los interruptores que encienden y apagan la expresión génica) sin modificar el ADN. Los investigadores además añadieron al segundo virus una proteína que trabaja como activador transcripcional, con el fin de 'encender' la actividad de la región de ADN de interés.
La herramienta de CRISPR-Cas, formada por la 'mano' y el 'bisturí' a nivel molecular, generalmente sirve para cortar una determinada región del genoma, que luego será reparada con el fin de introducir una mutación o corregir un defecto genético. Sin embargo, el equipo de Izpisúa modificó el funcionamiento de este sistema, con el fin de que no cortase las dos hebras de ADN, sino que encendiera la expresión de un gen de interés mediante el uso de este complejo formado por Cas9, la guía de ARN y la proteína para activar la transcripción. La metodología abre la puerta a 'encender' cualquier tipo de gen o de ruta genética sin el riesgo de introducir mutaciones potencialmente dañinas, que podrían dar lugar, por ejemplo, a la aparición de un cáncer, según los defienden los autores del trabajo.
Tras diseñar este nuevo sistema basado en CRISPR-Cas para editar el genoma, el grupo de Juan Carlos Izpisúa y sus colaboradores decidió probar la nueva estrategia en modelos animales. El objetivo era averiguar si la herramienta molecular funcionaba in vivo y si era lo suficientemente segura y eficaz como para servir, quizás en un futuro, como una posible terapia en medicina. Según muestran en Cell, la técnica es capaz de activar genes dañados o silenciados en ratones que recuperaron una actividad normal en sus riñones. Además, los investigadores han probado la utilidad del editor epigenómico para transformar células del hígado en células pancreáticas que produjeran insulina, una aproximación interesante en un hipotético tratamiento de la diabetes tipo 1.
Por último, los científicos activaron la expresión de genes relacionados con el crecimiento y el funcionamiento de los músculos, con el fin de esquivar los daños producidos por una mutación relacionada con la distrofia muscular, y así hacer que los ratones experimentaran cierta mejoría, aunque no una cura total. "No estamos corrigiendo el gen; la mutación está todavía ahí. En su lugar, hemos trabajado en el epigenoma y los ratones recuperan la expresión de otros genes de la misma ruta. Eso es suficiente para restaurar la función muscular de los animales mutantes", explica Belmonte. El científico manchego apunta que esta aproximación podría estudiarse para tratar de recuperar grupos de neuronas dañadas en pacientes con alzhéimer y párkinson, lo que supondría una posible terapia experimental para estas enfermedades neurodegenerativas. Los datos preliminares muestran que la aproximación es segura y eficaz, aunque aún estamos lejos de que sea una realidad en la práctica clínica. Antes debería demostrar su seguridad y eficacia en ensayos en modelos animales y en seres humanos, pero los resultados publicados en Cell son esperanzadores.
Si buscas resultados distintos, no hagas siempre lo mismo
El trabajo "nos sorprende con un uso combinado de diversas tecnologías y conocimiento que existe para demostrar, al menos a nivel preclínico, en una serie de modelos animales de enfermedad, que la tecnología CRISPR puede resultar útil para la terapia de enfermedades de una forma distinta a la habitualmente discutida", explica a Hipertextual Lluís Montoliu, experto en edición genómica del Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC), que no ha participado en el estudio. "El artículo no descubre nada nuevo, pero mezcla de forma innovadora e interesante diversas aproximaciones que ya existían, combinadas de una manera potencialmente beneficiosa", destaca.
Montoliu señala que las aplicaciones de CRISPR-Cas en las que se modifica el ADN cuentan con un problema importante. "La reparación del corte es lo que conlleva la mutación (mediante inserciones y deleciones) o, si se le da un ADN molde, la edición de la secuencia. Sin embargo, el corte puede repararse de infinitas maneras, lo cual genera incertidumbre", comenta a este medio. En la actualidad no podemos ni sabemos controlar la reparación del corte que realiza el 'bisturí molecular' y, por otro lado, el sistema CRISPR-Cas puede modificar otros lugares no deseados del genoma, dando lugar a las llamadas mutaciones off-target. "Estas son las dos limitaciones más importantes de los editores genéticos para su anhelado uso in vivo en terapias génicas", apunta el científico del CNB-CSIC.
Estos problemas relacionados con CRISPR-Cas han llevado a los científicos a idear nuevas estrategias para tratar de aplicar algún día la edición genómica en la práctica clínica. Una de las aproximaciones podría ser la presentada hoy por el equipo de Izpisúa, a la que se unen otras ideas como el empleo de proteínas Cas9 inactivas, es decir, de 'bisturís' que en la práctica no funcionan y, por tanto, no modifican el ADN. En opinión de Montoliu, el sistema propuesto hoy "es complicado pero interesante". "No hay nada nuevo que no supiéramos, cada tecnología que usa ya había sido descrita anteriormente", aclara.
"Su uso combinado en un mismo experimento es lo innovador del artículo", destaca. Sin embargo, el científico del CNB-CSIC pide "cautela" ante el optimismo que podría desatarse. A su juicio, el trabajo no habla sobre los problemas relacionados con la posible aparición de mutaciones off-target, que podrían limitar su uso como terapia. Además, el estudio ha sido realizado en modelos animales para tratar tres posibles patologías, lo que no significa que pueda aplicarse ya en seres humanos. Para conseguirlo, esta aproximación deberá demostrar su seguridad y eficacia en nuevos ensayos en modelos animales, para luego ser probado en individuos sanos y luego en pacientes. Solo así se demostrarán las posibilidades reales de que el editor epigenómico sirva como terapia para curar enfermedades en un futuro.