¿Qué Es Crispr?

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La tecnología crispr es una herramienta simple pero poderosa para editar genomas. Permite a los investigadores alterar fácilmente las secuencias de adn y modificar la función de los genes.

La tecnología CRISPR es una herramienta simple pero poderosa para editar genomas. Permite a los investigadores alterar fácilmente las secuencias de ADN y modificar la función de los genes. Sus muchas aplicaciones potenciales incluyen corregir defectos genéticos, tratar y prevenir la propagación de enfermedades y mejorar los cultivos. Sin embargo, su promesa también plantea preocupaciones éticas.

En el uso popular, "CRISPR" (pronunciado "crisper") es una abreviatura de "CRISPR-Cas9". Los CRISPRs son tramos especializados de ADN. La proteína Cas9 (o "asociada a CRISPR") es una enzima que actúa como un par de tijeras moleculares, capaces de cortar hebras de ADN.

La tecnología CRISPR se adaptó de los mecanismos naturales de defensa de las bacterias y las arqueas (el dominio de los microorganismos unicelulares). Estos organismos utilizan ARN derivado de CRISPR y varias proteínas Cas, incluida Cas9, para frustrar los ataques de virus y otros cuerpos extraños. Lo hacen principalmente cortando y destruyendo el ADN de un invasor extranjero. Cuando estos componentes se transfieren a otros organismos más complejos, permite la manipulación de genes o "edición".

Hasta 2017, nadie sabía realmente cómo era este proceso. En un artículo publicado el 10 de noviembre de 2017, en la revista Nature Communications, un equipo de investigadores dirigido por Mikihiro Shibata de la Universidad de Kanazawa y Hiroshi Nishimasu de la Universidad de Tokio mostró cómo se ve cuando un CRISPR está en acción por primera vez. hora. [Un impresionante GIF nuevo muestra CRISPR masticando ADN]

CRISPR-Cas9: Los jugadores clave

Crisprs: "CRISPR "significa" agrupaciones de repeticiones palindrómicas cortas interpaciadas regularmente ". Es una región especializada del ADN con dos características distintas: la presencia de repeticiones de nucleótidos y espaciadores. Los espaciadores son fragmentos de ADN que se intercalan entre estas secuencias repetidas.

En el caso de las bacterias, los espaciadores se toman de virus que previamente atacaron el organismo. Sirven como un banco de recuerdos, lo que permite a las bacterias reconocer los virus y combatir futuros ataques.

Esto fue demostrado por primera vez experimentalmente por Rodolphe Barrangou y un equipo de investigadores en Danisco, una compañía de ingredientes alimentarios. En un artículo de 2007 publicado en la revista Science, los investigadores utilizaron Streptococcus thermophilus Las bacterias, que se encuentran comúnmente en el yogur y otros cultivos lácteos, como su modelo. Observaron que después de un ataque de virus, se incorporaron nuevos espaciadores en la región CRISPR. Además, la secuencia de ADN de estos espaciadores era idéntica a partes del genoma del virus. También manipularon los espaciadores sacándolos o introduciendo nuevas secuencias de ADN viral. De esta manera, pudieron alterar la resistencia de las bacterias a un ataque de un virus específico. Por lo tanto, los investigadores confirmaron que los CRISPR desempeñan un papel en la regulación de la inmunidad bacteriana.

ARN CRISPR (crRNA): Una vez que se incorpora un espaciador y el virus ataca de nuevo, una parte del CRISPR se transcribe y se procesa en ARN CRISPR, o "ARNrc". La secuencia de nucleótidos del CRISPR actúa como una plantilla para producir una secuencia complementaria de ARN monocatenario. Cada crRNA consta de una repetición de nucleótidos y una porción espaciadora, según una revisión de 2014 realizada por Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier, publicada en la revista Science.

Cas9: La proteína Cas9 es una enzima que corta el ADN extraño.

La proteína típicamente se une a dos moléculas de ARN: el ARNcr y otro llamado tracrRNA (o "ARNr transactivador"). Luego, los dos guían a Cas9 al sitio de destino donde realizará su corte. Esta extensión de ADN es complementaria a un tramo de 20 nucleótidos del ARNcr.

Utilizando dos regiones separadas, o "dominios" en su estructura, Cas9 corta ambas hebras de la doble hélice del ADN, creando lo que se conoce como una "ruptura de doble cadena", según el artículo de 2014 de Science.

Hay un mecanismo de seguridad incorporado, que garantiza que Cas9 no solo corte en cualquier parte del genoma. Las secuencias de ADN cortas conocidas como PAM ("protospacer adyacentes motivos") sirven como etiquetas y se sientan adyacentes a la secuencia de ADN objetivo. Si el complejo Cas9 no ve un PAM junto a su secuencia de ADN objetivo, no se cortará. Esta es una razón posible por la que Cas9 nunca ha atacado la región CRISPR en bacterias, según una revisión de 2014 publicada en Nature Biotechnology.

CRISPR-Cas9 como herramienta de edición de genomas

Los genomas de varios organismos codifican una serie de mensajes e instrucciones dentro de sus secuencias de ADN. La edición del genoma implica cambiar esas secuencias, cambiando así los mensajes. Esto se puede hacer insertando un corte o rotura en el ADN y engañando los mecanismos de reparación naturales del ADN de una célula para que introduzcan los cambios que uno desea. CRISPR-Cas9 proporciona un medio para hacerlo.

En 2012, se publicaron dos trabajos de investigación fundamentales en las revistas Science y PNAS, que ayudaron a transformar la bacteria CRISPR-Cas9 en una herramienta de edición de genoma simple y programable.

Los estudios, realizados por grupos separados, concluyeron que Cas9 podría dirigirse a cortar cualquier región del ADN. Esto se podría hacer simplemente cambiando la secuencia de nucleótidos de crRNA, que se une a una diana de ADN complementaria. En el artículo de Science de 2012, Martin Jinek y sus colegas simplificaron aún más el sistema mediante la fusión de crRNA y tracrRNA para crear un solo "ARN guía". Por lo tanto, la edición del genoma requiere solo dos componentes: una guía de ARN y la proteína Cas9.

"Operacionalmente, diseñas un tramo de 20 pares de bases [de nucleótidos] que coinciden con un gen que quieres editar", dijo George Church, profesor de genética en la Escuela de Medicina de Harvard. Se construye una molécula de ARN complementaria a esos 20 pares de bases. Church enfatizó la importancia de asegurarse de que la secuencia de nucleótidos se encuentre solo en el gen objetivo y en ninguna otra parte del genoma. "Entonces el ARN más la proteína [Cas9] cortará, como un par de tijeras, el ADN en ese sitio, e idealmente en ninguna otra parte", explicó.

Una vez que se corta el ADN, los mecanismos de reparación naturales de la célula se activan y funcionan para introducir mutaciones u otros cambios en el genoma. Hay dos formas en que esto puede suceder. Según el Proyecto de Alcance de Huntington en Stanford (Universidad), un método de reparación consiste en pegar los dos cortes nuevamente. Este método, conocido como "unión final no homóloga", tiende a introducir errores. Los nucleótidos se insertan o eliminan accidentalmente, lo que da como resultado mutaciones que podrían alterar un gen. En el segundo método, la ruptura se fija rellenando el hueco con una secuencia de nucleótidos. Para hacerlo, la célula utiliza una cadena corta de ADN como plantilla. Los científicos pueden suministrar la plantilla de ADN que elijan, por lo que escriben en cualquier gen que deseen o corrigen una mutación.

Utilidad y limitaciones

CRISPR-Cas9 se ha hecho popular en los últimos años. Church señala que la tecnología es fácil de usar y es aproximadamente cuatro veces más eficiente que la mejor herramienta de edición del genoma anterior (llamada TALENS).

En 2013, investigadores de los laboratorios de Church y Feng Zhang del Instituto Broad del Instituto de Tecnología de Massachusetts y Harvard publicaron los primeros informes sobre el uso de CRISPR-Cas9 para editar células humanas en un entorno experimental. Los estudios que utilizan modelos in vitro (de laboratorio) y animales de enfermedades humanas han demostrado que la tecnología puede ser eficaz para corregir defectos genéticos. Los ejemplos de tales enfermedades incluyen la fibrosis quística, las cataratas y la anemia de Fanconi, según un artículo de revisión de 2016 publicado en la revista Nature Biotechnology. Estos estudios allanan el camino para aplicaciones terapéuticas en humanos.

"Creo que la percepción pública de CRISPR está muy centrada en la idea de utilizar la edición de genes clínicamente para curar enfermedades", dijo Neville Sanjana, del Centro de Genoma de Nueva York, y profesora asistente de biología, neurociencia y fisiología en la Universidad de Nueva York. "Esta es, sin duda, una posibilidad emocionante, pero es solo una pieza pequeña".

La tecnología CRISPR también se ha aplicado en las industrias alimentarias y agrícolas para diseñar cultivos de probióticos y vacunar cultivos industriales (por ejemplo, yogur) contra virus. También se está utilizando en cultivos para mejorar el rendimiento, la tolerancia a la sequía y las propiedades nutricionales.

Otra aplicación potencial es crear unidades genéticas. Estos son sistemas genéticos, que aumentan las posibilidades de que un rasgo particular pase de padres a hijos. Eventualmente, a lo largo de las generaciones, el rasgo se propaga a través de poblaciones completas, de acuerdo con el Instituto Wyss. Los impulsos genéticos pueden ayudar a controlar la propagación de enfermedades como la malaria al mejorar la esterilidad en el vector de la enfermedad: las mujeres Anopheles gambiae Mosquitos - según el artículo de Nature Biotechnology 2016. Además, las unidades genéticas también podrían usarse para erradicar especies invasoras y revertir la resistencia a pesticidas y herbicidas, según un artículo de 2014 de Kenneth Oye y colegas, publicado en la revista Science.

Sin embargo, CRISPR-Cas9 no está exenta de inconvenientes.

"Creo que la mayor limitación de CRISPR es que no es cien por ciento eficiente", dijo Church a WordsSideKick.com. Además, las eficiencias de edición del genoma pueden variar. De acuerdo con el artículo de Science de 2014 de Doudna y Charpentier, en un estudio realizado en arroz, la edición de genes ocurrió en casi el 50 por ciento de las células que recibieron el complejo Cas9-RNA. Mientras que, otros análisis han demostrado que, dependiendo del objetivo, las eficiencias de edición pueden alcanzar el 80 por ciento o más.

También existe el fenómeno de los "efectos fuera del objetivo", donde el ADN se corta en sitios distintos al objetivo previsto. Esto puede llevar a la introducción de mutaciones involuntarias. Además, Church señaló que incluso cuando el sistema se ajusta al objetivo, existe la posibilidad de no obtener una edición precisa. Llamó a esto "genoma vandalismo".

Estableciendo limites

Las muchas aplicaciones potenciales de la tecnología CRISPR plantean preguntas sobre los méritos éticos y las consecuencias de la manipulación de genomas.

En el artículo de Science de 2014, Oye y sus colegas señalan el impacto ecológico potencial del uso de unidades genéticas. Un rasgo introducido podría extenderse más allá de la población objetivo a otros organismos a través de cruzamientos. Las unidades genéticas también podrían reducir la diversidad genética de la población objetivo.

Hacer modificaciones genéticas a embriones humanos y células reproductivas como el esperma y los óvulos se conoce como edición de línea germinal. Dado que los cambios en estas celdas pueden transmitirse a las generaciones posteriores, el uso de la tecnología CRISPR para realizar ediciones de línea germinal ha planteado una serie de preocupaciones éticas.

La eficacia variable, los efectos fuera del objetivo y las ediciones imprecisas suponen riesgos para la seguridad. Además, hay mucho que aún es desconocido para la comunidad científica. En un artículo publicado en Science en 2015, David Baltimore y un grupo de científicos, expertos en ética y expertos legales notan que la edición de la línea germinal plantea la posibilidad de consecuencias no deseadas para las generaciones futuras "porque existen límites en nuestro conocimiento de la genética humana, las interacciones gen-ambiente, y las vías de la enfermedad (incluida la interacción entre una enfermedad y otras afecciones o enfermedades en el mismo paciente) ".

Otras preocupaciones éticas son más matizadas. ¿Deberíamos hacer cambios que podrían afectar fundamentalmente a las generaciones futuras sin tener su consentimiento? ¿Qué pasa si el uso de la edición de la línea germinal pasa de ser una herramienta terapéutica a una herramienta de mejora para varias características humanas?

Para abordar estas preocupaciones, las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina elaboraron un informe exhaustivo con pautas y recomendaciones para la edición del genoma.

Aunque las Academias Nacionales instan a la precaución en la búsqueda de la edición de la línea germinal, enfatizan que "precaución no significa prohibición". Recomiendan que la edición de la línea germinal se realice solo en los genes que conducen a enfermedades graves y solo cuando no existen otras alternativas de tratamiento razonables. Entre otros criterios, enfatizan la necesidad de tener datos sobre los riesgos y beneficios para la salud y la necesidad de una supervisión continua durante los ensayos clínicos. También recomiendan el seguimiento de las familias durante varias generaciones.

Investigación reciente

Ha habido muchos proyectos de investigación recientes basados ​​en CRISPR. "El ritmo de los descubrimientos de investigación básica ha explotado, gracias a CRISPR", dijo Sam Sternberg, bioquímico y experto en CRISPR, líder del grupo de desarrollo tecnológico en Caribou Biosciences Inc., con sede en Berkeley, California, que está desarrollando soluciones para la medicina basadas en CRISPR. Agricultura, e investigación biológica.

Aquí están algunos de los hallazgos más recientes:

  • En abril de 2017, un equipo de investigadores publicó en la revista Science que habían programado una molécula CRISPR para encontrar cepas de virus, como el Zika, en el suero sanguíneo, la orina y la saliva.
  • El 2 de agosto de 2017, los científicos revelaron en la revista Nature que habían eliminado un defecto de enfermedad cardíaca en un embrión con éxito utilizando CRISPR.
  • El 2 de enero de 2018, los investigadores anunciaron que podrían detener los hongos y otros problemas que amenazan la producción de chocolate utilizando CRISPR para hacer que las plantas sean más resistentes a las enfermedades.
  • El 16 de abril de 2018, los investigadores actualizaron CRISPR para editar miles de genes a la vez, según una investigación publicada por la revista BioNews.

Reporte adicional de Alina Bradford, colaboradora de WordsSideKick.com.

Recursos adicionales

  • Instituto Broad: una línea de tiempo de trabajo fundamental en CRISPR
  • Noticias de ingeniería genética y biotecnología: CRISPR-Cas9 mejoró 10000 veces por nucleótidos sintéticos
  • Instituto Broad: Preguntas y respuestas sobre CRISPR


Suplemento De Vídeo: ¿Qué es CRISPR?.




Investigación


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