Los científicos tienen grandes esperanzas en la tecnología CRISPR / Cas9, que permite cambios de alta precisión en los genomas de los organismos vivos, incluidos los humanos. Todos los nuevos artículos científicos se publican describiendo varios tipos de sistemas CRISPR, así como sus modificaciones. "Lenta.ru" habla de los descubrimientos en esta área, realizados en 2016.
Miles de ellos
CRISPR / Cas9 es un sistema de inmunidad adaptativa bacteriana que permite a los microorganismos combatir los virus. Consiste en espaciadores: secciones de ADN correspondientes a ciertos fragmentos (protoespaciadores) del ADN del agente infeccioso. Los espaciadores codifican moléculas de crRNA específicas que se unen a la enzima Cas9. El complejo resultante se adhiere a la cadena de ADN del virus y Cas9 funciona como un par de tijeras, cortándolo.
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De hecho, CRISPR / Cas9 es solo uno de los muchos sistemas similares que tienen las bacterias y las arqueas. Los científicos los dividen en dos clases. La primera clase incluye los sistemas CRISPR de los tipos I, III y IV, y la segunda, II y V. El tipo II contiene la proteína Cas9 involucrada en la adquisición de nuevos espaciadores, la acumulación de crRNA en la célula y la escisión del ADN. En otros sistemas, los complejos de múltiples proteínas se utilizan para estos fines. Esto hace que el tipo II sea el tipo más simple de sistema CRISPR adecuado para las necesidades de ingeniería genética.
Los tipos pueden, a su vez, subdividirse en subtipos dependiendo de qué genes adicionales estén asociados con CRISPR. Así, los sistemas IIA contienen el gen csn2, que codifica una proteína que se une al ADN y participa en la adquisición de espaciadores. En los sistemas IIB, csn2 está ausente, pero hay un gen cas4, cuya función aún se desconoce, y los sistemas IIC no tienen csn2 ni cas4.
Tesoros dentro de las bacterias
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Todos los sistemas CRISPR conocidos han sido descubiertos por científicos en bacterias cultivadas en condiciones de laboratorio. Sin embargo, hay una gran cantidad de microorganismos no cultivados, que incluyen tanto arqueas como bacterias. Por lo general, viven en condiciones extremas: manantiales minerales o cuerpos de agua tóxicos en minas abandonadas. Sin embargo, los investigadores pueden aislar el ADN de ellos e identificar regiones específicas en él. En un nuevo artículo publicado en Nature el 22 de diciembre, los genetistas de la Universidad de California, Berkeley, han decodificado genomas de comunidades microbianas naturales, descubriendo otras variaciones del sistema CRISPR.
Bacteriófago: un virus que infecta a las bacterias.
Imagen: Giovanni Cancemi / Depositphotos
Los científicos lograron descubrir que algunos tipos de nanoorganismos similares a arcos poco estudiados ARMAN también poseen CRISPR / Cas9, aunque anteriormente se creía que solo las bacterias los tenían. Se observa que este sistema ocupa un lugar intermedio entre los subtipos IIC y IIB y puede servir como defensa contra genes parasitarios "saltarines" (transposones) que ingresan al microorganismo desde otras arqueas. Un intento de reproducir la actividad de la arquea CRISPR / Cas9 en E. coli (Escherichia coli) no condujo a nada, lo que indica la existencia de algunos mecanismos específicos adicionales que regulan el sistema.
También se identificaron nuevos tipos de sistemas dentro de la segunda clase, CRISPR / CasX y CRISPR / CasY, a partir de bacterias que viven en aguas subterráneas y sedimentos. El sistema CRISPR / CasX incluye proteínas Cas1, Cas2, Cas4 y CasX. Este último, como lo muestran los experimentos en E. coli, se distingue por la actividad nucleasa, es decir, es capaz de escindir ADN extraño como Cas9. Sin embargo, esto sucede solo si la secuencia TTCN está delante de los protoespaciadores, donde N es cualquiera de los cuatro nucleótidos. Tales secuencias se denominan PAM (motivo adyacente al protoespaciador - motivo adyacente al protoespaciador). El sistema CRISPR / Cas9 también tiene su propio PAM - NGG, que debe ubicarse después del protoespaciador. Además, CRISPR / CasY puede cortar ADN si hay una secuencia TA PAM cerca del sitio objetivo.
¿Cuál es la promesa de este descubrimiento? El caso es que los sistemas detectados son los más compactos que se conocen en este momento. Según los científicos, la pequeña cantidad de proteínas necesarias para su trabajo hace que CRISPR / CasX y CRISPR / CasY sean herramientas convenientes para la edición de ADN. Además, la investigación metagenómica, en la que se estudia el ADN obtenido del medio ambiente, revelará otros tipos de sistemas CRISPR útiles para la ingeniería genética.
El camino hacia la excelencia
Por supuesto, existe una alternativa a la búsqueda de sistemas CRISPR en la naturaleza: mejorar la tecnología CRISPR / Cas9 ya existente. A pesar de su alta precisión, comete errores al cortar el ADN en el lugar equivocado. Esto dificulta realizar los cambios correctos en los genes y, por tanto, tratar eficazmente las enfermedades hereditarias. Por tanto, los científicos están buscando formas de mejorar el rendimiento del sistema. En 2016, ha habido muchos artículos científicos dedicados a modificar CRISPR y convertirlo en varias herramientas genéticas.
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Proteína Cas9 y crRNA: los componentes principales del sistema CRISPR
Imagen: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
Entonces, el 8 de diciembre, la revista Cell publicó un artículo de científicos de la Universidad de Toronto, quienes crearon "anti-CRISPR", un sistema que apaga el mecanismo bajo ciertas condiciones. Esto hace posible suprimir la actividad de Cas9 si el ARN guía se une al fragmento incorrecto y evita errores. Anti-CRISPR está compuesto por tres proteínas inhibidoras de nucleasas. Naturalmente, inicialmente no fue inventado por científicos, sino por virus, que neutralizaron así la inmunidad de las bacterias.
En junio, investigadores estadounidenses, junto con colegas de Rusia, confirmaron que el sistema CRISPR / C2c2, obtenido de la fusobacterium Leptotrichia shahii, es capaz de cortar ARN monocatenario. Como resultado, el sistema CRISPR se puede utilizar para eliminar (suprimir funciones) del ARN mensajero, que transporta información de los genes a los ribosomas, donde las proteínas se sintetizan sobre su base.
En mayo, investigadores de la Universidad de California crearon CRISPR-EZ, una tecnología que permite insertar nuevas moléculas de ADN en los genomas de embriones de ratón con casi un 100% de éxito. El sistema CRISPR / Cas9 se inyecta en huevos de animales fertilizados utilizando una aguja microscópica y una pequeña descarga eléctrica. En su experimento, los científicos lograron introducir una mutación en el gen en el 88 por ciento de los ratones. Esto supera la cantidad de ratones modificados genéticamente producidos por la edición CRISPR, que utiliza inyecciones convencionales.
En abril, utilizando una variante mutante de Cas9 que carece de actividad nucleasa, biólogos moleculares de la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts desarrollaron la tecnología CRISPRainbow. El ARN guía, que indica dónde se unen las enzimas, contenía etiquetas fluorescentes, lo que permite, por ejemplo, rastrear el movimiento de elementos genéticos móviles.
El mosquito Anopheles puede ser la primera víctima de los sistemas CRISPR
Foto: Jim Gathany / Wikipedia
Nuevo mundo valiente
Los científicos ya están utilizando sistemas CRISPR para crear organismos modificados genéticamente, como el mosquito de la malaria, que propagan genes dañinos entre sus parientes silvestres. Este método se llama impulso genético. Si uno de los padres de un individuo era portador de un gen mutante, lo transmitirá a su descendencia con una probabilidad del 50 por ciento. Esto se debe a que el padre tiene dos copias del gen y solo una de ellas es defectuosa. CRISPR puede copiar un fragmento mutante e insertarlo en un gen sano. Como resultado, la descendencia obtiene la mutación con un 100% de probabilidad.
En 2016, expertos del Comité Asesor de ADN Recombinante (RAC) aprobaron una solicitud de la Universidad de Pensilvania para realizar pruebas de modificación genética humana utilizando tecnología CRISPR / Cas9.
Sin embargo, fueron superados por los chinos. En noviembre, la revista Nature informó que los científicos chinos introdujeron por primera vez células con genes modificados por el sistema CRISPR / Cas9 en humanos. Los investigadores extrajeron células inmunes (linfocitos T) de la sangre de un paciente con cáncer de pulmón metastásico y luego utilizaron la tecnología CRISPR para desactivar el gen que codifica la proteína PD-1. Se ha demostrado que este último suprime la inmunidad al promover el crecimiento tumoral. Los científicos cultivaron las células editadas, aumentaron su número y luego las inyectaron nuevamente en el cuerpo humano. Queda por ver si la terapia genética hará frente a la enfermedad.
Los sistemas CRISPR también se pueden utilizar para combatir el VIH y las enfermedades hereditarias humanas. Sin embargo, se requiere más investigación para desarrollar tratamientos efectivos. Por supuesto, no estamos hablando de mutantes, como en las películas de ciencia ficción, pero los científicos podrán crear rápidamente organismos modificados genéticamente, por ejemplo, plantas agrícolas con resistencia a los parásitos. Queda por ver por qué los científicos que descubrieron CRISPR y descubrieron cómo podría usarse aún no han recibido el Premio Nobel.
Alexander Enikeev
