Hace más de veinte años que el microbiólogo ilicitano Francisco Juan Martínez Mojica descubrió que unas arqueas de la especie Haloferax mediterranei, que habitan en las salinas de Santa Pola, cerca de Alicante, poseen en su genoma unas secuencias cortas de ADN, palindrómicas, repetidas regularmente e interespaciadas, a las que dio el nombre de CRISPR (de las siglas en inglés Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), que constituyen un sistema  para la defensa de los microorganismos frente a la invasión de ADN extraño a su ambiente intracelular [1].

Cuando un ADN extraño entra en el ámbito citoplásmico de una bacteria o una Archaea, unas enzimas endonucleasas, propias de estos microorganismos, lo cortan en pequeños segmentos. Estos fragmentos son integrados en el genoma de la bacteria, justo en los espacios intercalares que median entre las secuencias repetidas del sistema CRISPR, constituyendo lo que se denominan protoespaciadores. De este modo, los restos fragmentados en piezas del genoma del virus quedan como una memoria de una invasión previa integrados en el genoma de la bacteria. Estos segmentos de genoma viral serán utilizados más adelante para defenderse de una segunda y posteriores entradas de ADN del mismo agente invasor. Para ello, esas piezas de ADN se utilizan para sintetizar moléculas de ARN, que unidas a una enzima nucleasa llamada Cas9 reconocerán y degradarán el ADN invasor. Por su modo de actuar el ARN que se genera en las sucesivas invasiones se ha dado en denominar ARN guía.

El conocimiento de cómo funciona este fenómeno natural por el que las bacterias se defienden de ataques de virus y ADN extraño, inspiró el desarrollo de una tecnología aplicable para reconocer y actuar sobre cualquier secuencia de ADN de todo tipo de organismo de bases nucleotídicas conocidas. Para ello, se introducen en las células del organismo cuyo ADN se quiere corregir dos componentes, un ARN guía sintetizado artificialmente, capaz de reconocer el ADN diana, y el gen de la enzima Cas9 u otra semejante, que tras formar un complejo con el ARN guía cortará específicamente el ADN diana por las dos cadenas (DSB). Una reparación posterior permitirá empalmar los extremos de rotura de forma programada, restituyendo la continuidad de la molécula del ADN de forma controlada. Es decir, se producirá una “edición” génica, o incluso la anulación de la región del ADN diana si es lo que se desea conseguir.

De este modo, la edición génica mediante CRISPR-Cas9 se ha convertido en una herramienta molecular que actúa como el bisturí y las manos del cirujano para cortar, empalmar y procesar a voluntad regiones del ADN. A partir de 2013, la técnica CRISPR-Cas9 desplazó a otras técnicas aplicadas para la modificación genética, y sus aplicaciones desde entonces han sido notables en todo tipo de organismos, convirtiéndose en un gran procedimiento para modificar genéticamente bacterias, hongos, plantas o animales, con aplicaciones espectaculares en la industria farmacéutica, la mejora genética de plantas cultivadas y animales domésticos, y muy especialmente en terapia génica en el hombre. En el momento presente hay cerca de un centenar de ensayos clínicos en la base de datos mundial sobre investigaciones biomédicas, con el fin de detectar, editar o curar patologías humanas. De ellos, más de la mitad se destinan a la curación del cáncer y muchos a enfermedades monogénicas.

Prácticamente todas las aplicaciones tecnológicas que van surgiendo proceden de descubrimientos de mecanismos naturales. Algo que ya nos dijo nuestro Nobel de Medicina Santiago Ramón y Cajal, cuando en sus «Tónicos de la voluntad» nos decía que, si bien aprenderemos mucho de la lectura de los libros, mucho más aprenderemos de la contemplación de la naturaleza.

De hecho, se acaba de anunciar en una publicación enviada a Nature el hallazgo de un sistema molecular natural, el “ARN puente”, existente en los procariotas, bacterias y Archaea, que podría utilizarse como un nuevo método para editar regiones del ADN [2]. El artículo, firmado por Patrick D. Hsu como uno de los investigadores principales, describe este mecanismo y su posible utilización para hacer edición genómica. No se trataría de una alternativa al método CRISPR-Cas9, sino en todo caso de un nuevo método, que podría utilizarse para editar regiones específicas del ADN, aun cuando no se ha probado en especies superiores y mucho menos en células humanas.

El mecanismo natural que inspira esta nueva metodología es realmente conocido desde hace tiempo. Se trata de la “transposición”, que es un fenómeno por el que unos “elementos móviles”, “transposones” o “elementos de inserción”, constituidos por regiones de varios cientos de pares de bases de ADN pueden moverse, “saltar” a otras regiones y crear copias en diferentes partes del genoma de las células. Estos elementos existen en el genoma tanto de procariotas, como de organismos superiores, donde constituyen auténticas familias. El descubrimiento de estos elementos no es actual. Lo llevó a cabo la investigadora americana Barbara McClintock (1902-1992) en la planta del maíz en los años cincuenta, quien describió además su implicación en fenómenos de reordenación y variación genómica [3]. Al principio nadie la creyó, pero después se vio que era un fenómeno universal e incluso se valoró su descubrimiento con el Nobel de Medicina en 1983.

Los “transposones” constituyen regiones del genoma sin misión informativa, por lo que al principio se los calificó de parásitos o ADN basura. Hechos posteriores han demostrado su importancia como elementos dinamizadores de los genomas, responsables de reordenaciones, cambios mutacionales, inserciones, eliminaciones o inversiones, esenciales por contribuir a la diversidad genética, que a su vez es necesaria para el mantenimiento y la evolución de las especies. Ejercen un papel esencial en mecanismos muy diversos, desde la carrera armamentista entre procariotas y sus virus a la compleja interacción de las vías de reparación del ADN eucariota, o la aparición y especialización funcional de nuevos genes. Los elementos móviles abundan en todos los organismos. En el caso del genoma humano, los elementos móviles, como MER1, MER2, Mariner, etc., llegan a alcanzar hasta un total del 9% del total del genoma junto con restos de ADN de retrovirus endógenos humanos, como los HERV, LTV, ERV, etc.

Los transposones suelen estar acompañados de enzimas implicadas en procesos fundamentales de reparación del ADN, recombinación de material genético extraño, etc. Estos elementos intervienen a través de enzimas que permiten su reordenación y diversificación. Estas enzimas que catalizan las reacciones de remodelación genómica reciben diversos nombres de acuerdo con su modo de actuación: transposasas, integrasas, endonucleasas o recombinasas. Estas enzimas normalmente reconocen el ADN a través de contactos proteína-ADN.

En el artículo de Nature, sobre el ARN puente, se describe detalladamente el estudio de un tipo de transposones que actúan en el genoma de las bacterias, denominados IS110. Se trata de secuencias compactas de ADN que se encuentran en abundancia en bacterias y arqueas, y que normalmente codifican solo los componentes necesarios para la transposición. Se trata de una familia de elementos móviles pequeños y autónomos, caracterizados, por su movilidad habilitada por una transposasa autocodificada, que reconoce repeticiones invertidas terminales (TIR) ​​a través de interacciones proteína-ADN. Este ARN ha sido denominado “puente” por su capacidad de conectar dos moléculas de ADN. En su estructura este ARN contiene dos dominios o bucles internos que codifican tramos de nucleótidos que se emparejan con un ADN “diana” y un ADN “donante”, que es el propio elemento IS110. Al unir las moléculas de ADN donante y diana a través de interacciones directas de emparejamiento de bases, el puente de ARN facilita la recombinación entre ambos. Los autores demuestran que los bucles de unión del ARN al ADN diana y al ADN donante se pueden “reprogramar” de forma independiente para dirigir una recombinación específica entre dos moléculas de ADN. Reprogramar quiere decir sintetizar con una idea preconcebida para que sean capaces de unirse a dos regiones de ADN sobre las que se desea ejercer una modificación. En esta propiedad reside el potencial aplicado de este importante hallazgo. Los autores muestran como el ARN puente junto con la recombinasa, el ADN diana y el ADN donante son suficientes para producir la recombinación. Por su modularidad, el ARN puente podría utilizarse para insertar un ADN en sitios diana deseados del genoma, así como para provocar otros cambios en el ADN receptor, como escisiones o inversiones programables.

De este modo, el sistema de “ARN puente” IS110 se une a los anteriores métodos de edición genómica, dedos de Zinc, Talen y CRISPR-Cas, aunque tiene por delante mucho camino experimental por recorrer, especialmente en lo que podrían suponer nuevos métodos de terapia génica. Al tratarse de un sistema que funciona en bacterias habrá que ver si es aplicable a sistemas de células de otros organismos y en especial en células humanas.

 

Nicolás Jouve

Catedrático Emérito de Genética de la Universidad de Alcalá

Ex miembro del Comité de Bioética de España

Miembro del Observatorio de Bioética

Universidad Católica de Valencia

 

 

[1] F. J. M. Mojica, «Long stretches of short tandem repeats are present in the largest replicons of the Archaea Haloferax mediterranei and Haloferax volcanii and could be involved in replicon partitioning». Mol. Microbiol. 17 (1995) 85–93.

[2] Hiraizumi, M., Perry, N.T., Durrant, M.G. et al. «Structural mechanism of bridge RNA-guided recombination». Nature 630, 994–1002 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07570-2

{3} McClintock, Barbara (1950) «The origin and behavior of mutable loci in maize». Proceedings of the National Academy of Sciences. 36:344–55.

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