CRISPR/Cas9: Premio Nobel de Química 2020

En octubre de 2020, el mundo conoció a los ganadores del premio Nobel de química 2020: dos investigadoras, la Dra. Jennifer Doudna y la Dra. Emmanuelle Charpentier, fueron premiadas por el desarrollo de una técnica de edición de genes llamada CRISPR/Cas9 (1).

En un artículo publicado en la revista Science (2) en 2012, ellas demostraron que CRISPR/Cas9, un mecanismo presente en el sistema inmunológico de bacterias, podría ser usado para modificar ADN humano in vitro.

Poco después de esta publicación, laboratorios (e industrias) de todo el mundo comenzaron a explorar esta técnica en sus investigaciones, con diferentes aplicaciones.

Se ha hablado mucho de esta técnica en todo el mundo. CRISPR/Cas9, de hecho, revolucionó la investigación científica en medicina y genómica porque es un método simple, versátil y preciso de manipulación genética.

Más que una herramienta de investigación, CRISPR/Cas9 es una esperanza para que muchas enfermedades genéticas finalmente tengan un tratamiento.

¿Pero, qué es CRISPR/Cas9 y por qué se habla tanto de esta técnica? En este artículo, entienda esta técnica y aprenda cómo puede ayudar en el tratamiento de enfermedades genéticas.

 

CRISPR/Cas9

CRISPR/Cas9 (acrónimo de Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats o Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Espaciadas en asociación con la nucleasa Cas9) es, hoy, el nombre de una técnica de biología molecular capaz de editar (eliminar, agregar, cambiar) secuencias de ADN ubicadas en cualquier región del genoma. Esta técnica se basa en un sistema de memoria inmunológica presente en bacterias, utilizado para proteger a las bacterias de invasiones virales (2,3,4).

El sistema CRISPR/Cas9 consiste en dos moléculas:

• Cas9: una enzima (nucleasa) que actúa como un par de “tijeras” que pueden cortar las dos cadenas de ADN en un punto específico del genoma.
• ARN guía (ARNg): un pequeño fragmento de secuencia de ARN (cerca de 20 bases de largo) ubicado dentro de una estructura de ARN más larga. Esta molécula de ARN “guía” la Cas9 a la parte del genoma que debe cortarse.

¿Y cómo actúa el sistema?

Conociendo previamente una secuencia en el ADN que desea cambiar (como, por ejemplo, una mutación que causa una enfermedad), el ARNg es ‘fabricado’ para unirse (ser complementario) a esa región específica. El ARNg lleva la Cas9 a esta secuencia complementaria que corta esa región. Luego, el sistema de reparación del ADN, que es natural e intrínseco, ‘repara’ la región cortada añadiendo la(s) base(s) que se han eliminado (2,3,4).

Usando el sistema CRISPR/Cas9 es posible inducir al sistema de reparación del ADN a reparar el ADN alterado con una secuencia de interés. Así, el sistema es capaz de reparar, silenciar y reprimir genes, entre otras alteraciones genómicas.

 

Edición de ADN y tratamiento de enfermedades

El CRISPR/Cas9 tiene un enorme potencial para ser utilizado como herramienta en el tratamiento de diversas enfermedades que tienen una causa genética, como el cáncer,  enfermedades monogénicas, y enfermedades infecciosas, como la hepatitis B y el VIH, por ejemplo.

Cáncer

El cáncer es causado por la acumulación de alteraciones genéticas que conducen a la multiplicación desordenada de las células que forman un tumor. Existen varios factores genéticos ya identificados relacionados con la predisposición a desarrollar un tumor, con la ubicación del crecimiento del tumor, su tamaño y su malignidad.

Estudios han aplicado el sistema CRISPR/Cas9 para editar o eliminar mutaciones en genes (oncogenes y protooncogenes) que causan esta proliferación celular descontrolada y eventualmente pueden resultar en cáncer (5).

Otros estudios han utilizado el sistema para comprender los factores que desencadenan el crecimiento tumoral (tumorogénesis) y su malignidad para seleccionar genes objetivos para el tratamiento del cáncer basados ​​en terapia génica (5).

Además de la terapia génica centrada en las alteraciones que promueven el cáncer, se han observado resultados prometedores en estudios clínicos que utilizaron CRISPR/Cas9 para la inmunoterapia de pacientes con cáncer. Esos estudios eliminaron las células inmunitarias del paciente con cáncer (células T o células CAR-T), alteraron esas células in vitro utilizando CRISPR/Cas9 y luego las reintrodujeron en el organismo del paciente. Los resultados fueron positivos, mostrando que las células inmunes del paciente fueron capaces de rechazar los tumores (6, 7).

Enfermedades infecciosas

El sistema CRISPR/Cas9 fue originalmente descubierto como un mecanismo de defensa de bacterias contra la invasión de virus. Por lo tanto, es una herramienta que, naturalmente, se muestra prometedora en el tratamiento de enfermedades infecciosas (2).

Varios estudios de células madre demuestran el potencial protector del gen CCR5 contra el virus del VIH. Las alteraciones en este gen comprueban resistencia a la infección por el virus (8, 9).

En 2018, una noticia se extendió por los medios: un científico chino anunció que dos bebés gemelos nacieron después de que los embriones fueron modificados genéticamente utilizando la técnica CRISPR/Cas9. Los embriones tuvieron su ADN modificado, más precisamente el gen CCR5, para que fueran resistentes al virus del VIH. El científico informó que los bebés nacieron sanos y sin secuelas. Sin embargo, la edición genética de embriones es un tema controvertido. El anuncio generó varias discusiones a nivel mundial y el científico fue condenado (10).

Aparte de alterar genes que confieren resistencia al virus, CRISPR/Cas9 demostró ser muy efectivo en un estudio que combinó la técnica de edición de genes con una terapia antirretroviral (ART) llamada LASER ART (Terapia Antirretroviral de Liberación Lenta Efectiva y Acción Prolongada) ( 11).

La terapia combinada consiste en utilizar LASER ART, que suprime la replicación del virus lentamente en el organismo, y CRISPR/Cas9 que consigue editar el genoma de las células “reservorio” del virus VIH, que están latentes (“desactivados”) y no son afectados por LASER ART. En el estudio, los científicos consiguieron eliminar el virus del VIH en ratones infectados (11).

Otras investigaciones exploran la aplicación terapéutica de CRISPR/Cas9 en varias otras enfermedades, incluido el virus de la influenza, zika, dengue, virus respiratorio sincitial (VRS), herpesvirus (HSV) y poliomavirus humano neurotrópico (JC) (12, 13, 14).

Además, varias infecciones virales, como el virus de la hepatitis B (VHB), el virus de Epstein-Barr (VEB) y el virus del papiloma humano (VPH), están relacionadas con el desarrollo de algunos tipos de cáncer, como el cáncer de hígado y de cuello uterino. Varios estudios también han utilizado CRISPR/Cas9 como estrategia para tratar estos tipos de cáncer, por inactivación del genoma del virus o inhibición de su replicación (15, 16, 17).

Enfermedades genéticas

El descubrimiento del sistema CRISPR/Cas9 revolucionó la ingeniería genética y trajo esperanza para el tratamiento y la cura de muchas enfermedades. Además de las aplicaciones descritas en los temas anteriores, actualmente CRISPR/Cas9 también está siendo utilizado en estudios dirigidos al desarrollo de terapia génica para varias enfermedades genéticas.

Diferentes estudios en ratones han demostrado el potencial de CRISPR/Cas9 para corregir la sordera, la distrofia muscular de Duchenne, la hemofilia y la deficiencia de alfa1-antitripsina (18, 19, 20, 21).

Un ejemplo prometedor es la terapia basada en el trasplante de células madre hematopoyéticas y progenitoras (HSPCs) corregidas por CRISPR/Cas9 en pacientes con anemia de células falciformes y beta talasemia, enfermedades causadas por mutaciones en el gen de la hemoglobina (HBB) (22, 23, 24).

A través de CRISPR/Cas9 los científicos pudieron editar el gen HBB de células de los pacientes y restaurar la función normal de la hemoglobina. Se están realizando estudios clínicos para comprobar la seguridad y eficacia de este tratamiento (22, 23, 24).

Limitaciones 

De hecho, CRISPR/Cas9 es la gran esperanza de la medicina actual. A pesar de estos (y otros) avances que CRISPR/Cas9 trajo al mundo y la rápida expansión de los estudios dirigidos al desarrollo de nuevas terapias, aún se necesita mucha investigación para evaluar la eficiencia y, principalmente, la seguridad del uso de esta técnica en humanos.

Los estudios también han demostrado que muchas veces el sistema CRISPR/Cas9 no alcanza el objetivo y termina editando otras regiones del genoma. Este evento se denomina “off-targets” y es un importante factor limitante en el uso de CRISPR/Cas9 in vivo en humanos. Todavía es necesario comprender cómo funciona el sistema dentro de nuestro organismo y cuáles son las consecuencias de editar nuestro genoma, para nosotros y para las generaciones futuras.

Además, la edición de ADN plantea muchas cuestiones éticas importantes. Los comités de ética de todo el mundo han debatido la aplicación de la edición genética en embriones.

Nota: Para comprender mejor cómo actúa el sistema CRISPR/Cas9, sugerimos este video.

 

Referencias

1. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/
2. https://science.sciencemag.org/content/337/6096/816.full
3. El-Mounadi K, Morales-Floriano ML, Garcia-Ruiz H. Principles, Applications, and Biosafety of Plant Genome Editing Using CRISPR-Cas9. Front Plant Sci. 2020 Feb 13;11:56.
4. Sun, J., Wang, J., Zheng, D., & Hu, X. (2019). Advances in therapeutic application of CRISPR-Cas9. Briefings in Functional Genomics. doi:10.1093/bfgp/elz031
5. Jiang C, Meng L, Yang B, et al. Application of CRISPR/Cas9 gene editing technique in the study of cancer treatment. Clin Genet 2019. 
6. Stadtmauer EA, Fraietta JA, Davis MM, Cohen AD, Weber KL, Lancaster E, Mangan PA, Kulikovskaya I, Gupta M, Chen F, Tian L, Gonzalez VE, Xu J, Jung IY, Melenhorst JJ, Plesa G, Shea J, Matlawski T, Cervini A, Gaymon AL, Desjardins S, Lamontagne A, Salas-Mckee J, Fesnak A, Siegel DL, Levine BL, Jadlowsky JK, Young RM, Chew A, Hwang WT, Hexner EO, Carreno BM, Nobles CL, Bushman FD, Parker KR, Qi Y, Satpathy AT, Chang HY, Zhao Y, Lacey SF, June CH. CRISPR-engineered T cells in patients with refractory cancer. Science. 2020 Feb 28;367(6481):eaba7365. 
7. Garfall AL, Maus MV, Hwang WT, et al. Chimeric antigen receptor T cells against CD19 for multiple myeloma. N Engl J Med 2015;373:1040–7.
8.  Samson M, Libert F, Doranz BJ, et al. Resistance to HIV-1infection in caucasian individuals bearing mutant alleles of the CCR-5 chemokine receptor gene. Nature 1996;382:722–5
9.  Kang H, Minder P, Park MA, et al.CCR5 disruption in induced pluripotent stem cells using CRISPR/Cas9 provides selective resistance of immune cells to CCR5-tropic HIV-1 virus. Mol Ther Nucleic Acids 2015;4:e268.
10. https://www.sciencemag.org/news/2019/12/chinese-scientist-who-produced-genetically-altered-babies-sentenced-3-years-jail
11. Dash, P.K., Kaminski, R., Bella, R. et al. Sequential LASER ART and CRISPR Treatments Eliminate HIV-1 in a Subset of Infected Humanized Mice. Nat Commun 10, 2753 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-10366-y
12. van Diemen FR, Kruse EM, Hooykaas MJ, et al. CRISPR/Cas9-mediated genome editing of Herpesviruses limits productive and latent infections. PLoS Pathog 2016;12:e1005701.
13. Wollebo HS, Bellizzi A, Kaminski R, et al. CRISPR/Cas9 system as an agent for eliminating Polyomavirus JC infection.PLoS One 2015;10:e0136046.
14. Li Y, Muffat J, Omer Javed A, Keys HR, Lungjangwa T, Bosch I, Khan M, Virgilio MC, Gehrke L, Sabatini DM, Jaenisch R. Genome-wide CRISPR screen for Zika virus resistance in human neural cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019 May 7;116(19):9527-9532
15. Ramanan V, Shlomai A, Cox DB, et al. CRISPR/Cas9 cleavage of viral DNA efficiently suppresses hepatitis B virus. Sci Rep 2015;5: 10833.
16. Yuen KS, Chan CP, Wong NH, et al. CRISPR/Cas9-mediated genome editing of Epstein–Barr virus in human cells. J GenVirol 2015;96:626–36.
17. Sanchez-Rivera FJ, Jacks T. Applications of the CRISPR-Cas9 system in cancer biology. Nat Rev Cancer 2015;15:387–95.
18. Nelson CE, Wu Y, Gemberling MP, Oliver ML, Waller MA, Bohning JD, Robinson-Hamm JN, Bulaklak K, Castellanos Rivera RM, Collier JH, Asokan A, Gersbach CA. Long-term evaluation of AAV-CRISPR genome editing for Duchenne muscular dystrophy. Nat Med. 2019 Mar;25(3):427-432. 
19. Wang D, Zhang G, Gu J, et al. Vivo generated hematopoietic stem cells from genome edited induced pluripotent stem cells are functional in platelet-targeted gene therapy of murine hemophilia A. Haematologica 2019. pii: haematol.2019.219089. 
20. György B, Nist-Lund C, Pan B, Asai Y, Karavitaki KD, Kleinstiver BP, Garcia SP, Zaborowski MP, Solanes P, Spataro S, Schneider BL, Joung JK, Géléoc GSG, Holt JR, Corey DP. Allele-specific gene editing prevents deafness in a model of dominant progressive hearing loss. Nat Med. 2019 Jul;25(7):1123-1130. doi: 10.1038/s41591-019-0500-9. Epub 2019 Jul 3. PMID: 31270503; PMCID: PMC6802276.
21. Bjursell M, Porritt MJ, Ericson E, Taheri-Ghahfarokhi A, Clausen M, Magnusson L, Admyre T, Nitsch R, Mayr L, Aasehaug L, Seeliger F, Maresca M, Bohlooly-Y M, Wiseman J. Therapeutic Genome Editing With CRISPR/Cas9 in a Humanized Mouse Model Ameliorates α1-antitrypsin Deficiency Phenotype. EBioMedicine. 2018 Mar;29:104-111. 
22. Huang X,Wang Y, Yan W, et al. Production of gene-corrected adult beta globin protein in human erythrocytes differentiated from patient iPSCs after genome editing of the sickle point mutation. Stem Cells 2015;33:1470–9. 
23. Park SH, Lee CM, Dever DP, et al. Highly efficient editing of the beta-globin gene in patient-derived hematopoietic stem and progenitor cells to treat sickle cell disease. Nucleic Acids Res 2019;47(15):7955–7972. 
24. Song B, Fan Y, He W, et al. Improved hematopoietic differentiation efficiency of gene-corrected beta-thalassemia induced pluripotent stem cells by CRISPR/Cas9 system. Stem Cells Dev 2015;24:1053–65.