LA VISIÓN DE UN BIOQUÍMICO SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA REPLANTEA EL CÁNCER Y EL ENVEJECIMIENTO

El bioquímico Nick Lane cree que la vida evolucionó primero en los respiraderos hidrotermales donde aparecieron los precursores del metabolismo antes que la información genética. Sus ideas podrían llevarnos a pensar de manera diferente sobre el envejecimiento y el cáncer.

Por Viviane Calier , Vía QUANTA MAGAZINE

A diferencia de muchos otros investigadores que estudian el origen de la vida, Nick Lane, profesor de bioquímica evolutiva en el University College London, sugiere que alguna forma de metabolismo primitivo puede haber surgido en los respiraderos hidrotermales de aguas profundas antes de la aparición de la información genética.

Todas las células vivas se alimentan a sí mismas mediante la persuasión de electrones energéticos de un lado de una membrana al otro. Los mecanismos basados ​​en membranas para lograr esto son, en cierto sentido, una característica de la vida tan universal como el código genético. Pero a diferencia del código genético, estos mecanismos no son los mismos en todas partes: las dos categorías más simples de células, bacterias y arqueas, tienen membranas y complejos de proteínas para producir energía que son química y estructuralmente diferentes. Esas diferencias hacen que sea difícil adivinar cómo las primeras células satisfacían sus necesidades energéticas.

Este misterio llevó a Nick Lane , profesor de bioquímica evolutiva en el University College London, a una hipótesis poco ortodoxa sobre el origen de la vida. ¿Qué pasaría si la vida surgiera en un entorno geológico donde los gradientes electroquímicos a través de diminutas barreras ocurrieran de forma natural, apoyando una forma primitiva de metabolismo mientras las células como las conocemos evolucionaron? Se sugirió un lugar donde esto podría ser posible: respiraderos hidrotermales alcalinos en el lecho marino profundo, dentro de formaciones rocosas altamente porosas que son casi como esponjas mineralizadas.

Lane ha explorado esta idea provocativa en una variedad de artículos periodísticos , y la ha tocado en algunos de sus libros, como The Vital Question , donde escribió: “El metabolismo del carbono y la energía son impulsados ​​por gradientes de protones, exactamente lo que sucede con las fuentes de ventilación. proporcionada de forma gratuita.” Describe la idea con más detalle para el público en general en su último libro, Transformer: The Deep Chemistry of Life and Death . En su opinión, el metabolismo es fundamental para la vida, y la información genética surge naturalmente de él y no al revés. Lane cree que las implicaciones de esta inversión tocan casi todos los grandes misterios de la biología, incluida la naturaleza del cáncer y el envejecimiento.

Dentro del material inorgánico poroso alrededor de los respiraderos hidrotermales profundos, las moléculas orgánicas podrían haberse organizado en entidades similares a células que se hicieron más de sí mismas. “Es una forma muy tosca de crecimiento, pero es realista en ese sentido”, dijo Lane.

Philipp Ammon para la revista Quanta

La teoría de Lane sigue siendo sólo una entre muchas en el escaso campo de los estudios sobre el origen de la vida. Muchos, si no la mayoría de los científicos, defienden las teorías de que la vida comenzó con mezclas autorreplicantes de ARN y otras moléculas , y que surgió en o cerca de la superficie de la Tierra, alimentada por la luz solar. Los estudios de los respiraderos hidrotermales como crisoles para la vida se han disparado en las últimas décadas, pero algunos de ellos favorecen los respiraderos volcánicos en agua dulce , no los respiraderos profundos en el lecho marino. Aún así, aunque la explicación de Lane no responde a todas las preguntas sobre cómo comenzó la vida, aborda las difíciles sobre cómo podría haber ocurrido la síntesis de proteínas y otras biomoléculas esenciales que consumen mucha energía.

La investigación sobre cómo la necesidad de energía ha influido y limitado la evolución de la vida siempre ha sido un tema central de la carrera de Lane como científico, con más de 100 artículos en revistas revisadas por pares en su haber, y como escritor científico. Lane recibió el Premio de la Sociedad Bioquímica de 2015 por sus contribuciones a las ciencias de la vida, y en 2016 la Royal Society de Londres le otorgó el Premio Michael Faraday a la excelencia en la comunicación de la ciencia al público.

Quanta habló recientemente con Lane en su casa de Londres a través de una videoconferencia. La entrevista ha sido condensada y editada para mayor claridad.

Su libro argumenta que el flujo de energía y materia estructura la evolución de la vida y es cómo el metabolismo “ conjura la existencia de los genes. ¿ Cuál es la razón más convincente para pensar que el metabolismo, y no la información genética, evolucionó primero?

La visión purista de "la información primero" es el mundo del ARN, donde algún proceso en el medio ambiente produce nucleótidos, y los nucleótidos pasan por un proceso que los une en cadenas de polímeros. Luego tenemos una población de ARN, y ellos inventan todo, porque son capaces tanto de catalizar reacciones como de copiarse a sí mismos. Pero entonces, ¿cómo inventaron los ARN todo el metabolismo, las células, la estructura espacial, etc.? Los genes en realidad no hacen eso incluso hoy. Las células provienen de las células, y los genes las acompañan. Entonces, ¿por qué los genes lo harían desde el principio?

¿Y cómo lo harían? Digamos que hay 10 pasos en un camino bioquímico, y cualquier paso por sí solo no es de mucha utilidad. Cada producto en un camino tendría que ser útil para que evolucione, lo cual no es el caso. Parece tan difícil evolucionar incluso en un solo camino.

Este prototipo de reactor hidrotermal fue construido por Lane y su equipo para probar sus ideas sobre cómo los precursores de las reacciones metabólicas podrían haber surgido dentro de los respiraderos hidrotermales. 

¿Cuál es la alternativa?

La alternativa es que estas cosas sucedan espontáneamente en condiciones favorables, y que obtenga cantidades muy pequeñas de interconversión de un intermedio al siguiente intermedio a lo largo de todo el camino. No sería mucho y no sería muy rápido en comparación con las reacciones catalizadas por enzimas, pero estaría allí. Luego, cuando surge un gen en una etapa posterior, puede catalizar cualquiera de esos pasos, lo que tenderá a acelerar todo el camino.

Eso hace que el problema sea mucho más fácil. Pero también hace esta desconcertante predicción de que toda la química en este camino tiene que ser favorecida. Y luego dices eso para otro camino y otro, y se convierte en una proposición cada vez más aterradora de que el núcleo de la bioquímica resulta estar favorecido termodinámicamente en ausencia de genes.

Hace seis o siete años, esta no era una posición fácil de sostener, porque realmente no había pruebas para ello. Pero desde entonces, se ha demostrado que al menos tres o cuatro de estas vías ocurren espontáneamente y en niveles bajos en el laboratorio. No todas las vías están completas, pero ocurren pasos intermedios. Empieza a parecer que no es una posición irrazonable decir que los genes surgieron en un mundo en el que ya teníamos un protometabolismo bastante sofisticado.

Hablemos de cómo podría haber evolucionado el protometabolismo en los respiraderos hidrotermales de aguas profundas. ¿Qué tiene el entorno de ventilación que le hace pensar que favoreció el comienzo de lo que llamamos el ciclo de Krebs, el proceso metabólico que obtiene energía de los carbohidratos, las grasas y las proteínas?

Comencemos con lo que comienza la vida: hidrógeno y dióxido de carbono, que no reaccionan muy fácilmente. ¿Cómo les hace reaccionar la vida? Como vemos en las mitocondrias y en ciertas bacterias, la vida usa una carga eléctrica en la membrana para transferir electrones del hidrógeno a las proteínas de azufre de hierro como la ferredoxina. Estos pequeños grupos de iones de hierro e iones de azufre en el corazón de las proteínas antiguas son como pequeños minerales. Obtienes estos minerales en los respiraderos hidrotermales, y también obtienes dióxido de carbono e hidrógeno, e incluso hay barreras delgadas en la roca porosa con una carga eléctrica sobre ellas.

La pregunta es: ¿Esta estructura en las ventilaciones impulsa efectivamente la reacción entre el dióxido de carbono y el hidrógeno? Y la respuesta que estamos encontrando en el último año o dos en el laboratorio es sí, realmente lo hace. No obtenemos mucho, pero estamos obteniendo más a medida que comenzamos a optimizar nuestro proceso, y lo que estamos viendo producidos son intermedios del ciclo de Krebs. Y si pones algo de nitrógeno, obtienes los mismos aminoácidos que usa la vida.

“Los cánceres no son causados ​​simplemente por una mutación genéticamente determinista que obliga a las células a seguir creciendo sin parar”, dijo Lane. “El metabolismo también es importante, ya que proporciona un entorno propicio para el crecimiento”. 

Así que esta química se favorece termodinámicamente. Son solo estos primeros pasos los que son recalcitrantes, pero las cargas eléctricas en el respiradero hidrotermal parecen bajar la barrera de ese primer paso, por lo que el resto puede suceder. En efecto, lo que tienes es un flujo continuo de fluidos hidrotermales que pasan por esta reacción electroquímica, convirtiendo los gases en el medio ambiente en moléculas más orgánicas, que puedes imaginar acurrucándose en los poros similares a células, estructurándose en entidades similares a células y haciendo más de ellos mismos. Es una forma muy tosca de crecimiento, pero es realista en ese sentido.

Pero entonces, ¿cómo se independizaron estas primeras protocélulas de los gradientes de protones que obtuvieron gratis en las fuentes hidrotermales?

Mucho de esto sigue siendo especulativo, pero la respuesta parece ser que necesitas genes para ser independiente. Entonces, esta es una pregunta fundamental: ¿dónde y cuándo entran los genes?

Hemos demostrado que teóricamente, si introduces secuencias aleatorias de ARN y asumes que los nucleótidos allí pueden polimerizarse, obtienes pequeñas cadenas de nucleótidos. Digamos siete u ocho letras aleatorias de largo, sin ninguna información codificada allí en absoluto. Hay dos maneras en que esto ahora realmente puede ayudarte. Una es que actúa como una plantilla para más ARN: es capaz de crear una plantilla de una copia exacta de la misma secuencia, incluso si esa secuencia no tiene información. Pero lo segundo que puede hacer en principio es actuar como molde para los aminoácidos. Hay patrones de interacciones biofísicas no específicas entre los aminoácidos y las letras en el ARN: es más probable que los aminoácidos hidrofóbicos interactúen con las bases hidrofóbicas.

Así que tienes una secuencia aleatoria de ARN que genera un péptido no aleatorio. Y ese péptido no aleatorio podría, por casualidad, tener alguna función en una protocélula en crecimiento. Podría hacer que la célula crezca mejor o empeore; podría ayudar al ARN a replicarse; podría unirse a los cofactores. Luego tienes la selección de ese péptido y la secuencia de ARN que lo originó. Aunque es un sistema muy rudimentario, esto significa que acabamos de entrar en el mundo de los genes, la información y la selección natural.

Acabamos de pasar de un sistema sin información a un sistema con información, sin apenas cambios en el propio sistema. Todo lo que hemos hecho es introducir ARN aleatorio. Ahora, ¿es verdad? Dicen que las ideas más bellas se pueden matar con hechos feos. Y puede que no sea cierto, pero tiene un poder explicativo tan alto que no puedo creer que no sea cierto.

Así que en los respiraderos hidrotermales tenemos algunos intermedios del ciclo de Krebs. Pero entonces, ¿cómo se unieron todos como un ciclo? ¿Es significativo que esto funcione como un ciclo y no como una cadena lineal de reacciones?

A menudo nos enfocamos en el ciclo de Krebs realizando las mismas reacciones generadoras de energía una y otra vez. Pero el ciclo de Krebs puede operar en ambas direcciones. En nuestras mitocondrias, elimina el dióxido de carbono y el hidrógeno de las moléculas intermedias para generar una carga eléctrica en una membrana para obtener energía. En muchas bacterias antiguas, sin embargo, hace exactamente lo contrario: usa la carga eléctrica en una membrana para impulsar reacciones con dióxido de carbono e hidrógeno para producir esos intermediarios, que se convierten en precursores para producir los aminoácidos necesarios para el crecimiento.

Y no es solo en las bacterias antiguas: nuestras células también usan el ciclo de Krebs para la biosíntesis. Sabemos desde la década de 1940 que el ciclo de Krebs a veces puede retroceder en nuestras células, y que sus moléculas intermedias a veces se usan como precursores para producir aminoácidos. Nuestras mitocondrias equilibran dos procesos opuestos, la generación de energía y la biosíntesis, en función de las necesidades de nuestras células. Hay una especie de yin y yang en esto.

El ciclo de Krebs nunca operó realmente como un verdadero ciclo, excepto en las células más energéticas, como los músculos de vuelo de las palomas, donde se descubrió por primera vez. En la mayoría de las células, el ciclo de Krebs se parece más a una rotonda que a un ciclo, con cosas que entran y salen en diferentes puntos. Y es una rotonda que puede ir en ambas direcciones, por lo que es un poco desordenado.

¿Cómo se relacionó el aumento de oxígeno con la dirección favorecida del flujo metabólico y la evolución de los primeros animales multicelulares? 

Los primeros animales parecen haber evolucionado cuando los niveles de oxígeno eran realmente bajos la mayor parte del tiempo. Se arrastraron por el lodo que estaba lleno de sulfuro, como los gases en una alcantarilla. Estos primeros gusanos necesitaban algo de oxígeno para arrastrarse, pero también necesitaban desintoxicarse de todo este sulfuro y lidiar con una gran cantidad de dióxido de carbono en su entorno.

Me di cuenta de que la única manera de hacerlo es teniendo diferentes tipos de tejido que hacen diferentes trabajos. Tan pronto como estás gateando, necesitas músculos y necesitas algún tipo de sistema respiratorio. Esos son dos tipos diferentes de tejido, uno de los cuales debe retener oxígeno y proporcionarlo cuando lo necesite, mientras que el otro intenta operar en ausencia de oxígeno. Tienen que hacer su bioquímica de diferentes maneras, con diferentes flujos a lo largo de su ciclo de Krebs. Estás como obligado a hacer dos o tres cosas a la vez.

Ahora, en contraste, existía este misterioso grupo de organismos simples llamado fauna de Ediacara. Vivieron a unos 200 metros de profundidad en el océano y se extinguieron justo antes de la explosión del Cámbrico hace unos 540 millones de años, cuando los niveles de oxígeno en el medio ambiente cayeron. La fauna de Ediacara no tenía mucha diferenciación de tejidos y solo podían hacer una cosa bioquímicamente a la vez. Cuando los niveles de oxígeno cayeron justo antes del Cámbrico, no pudieron adaptarse a los nuevos entornos.

Pero tan pronto como tenga varios tejidos, puede hacer cosas en paralelo. Puede equilibrar lo que está haciendo este tejido con lo que está haciendo ese tejido. No se puede hacer energía y biosíntesis por igual al mismo tiempo con mucha facilidad; es más fácil hacer una cosa o la otra. Eso nos obliga a tener diferentes metabolismos en diferentes tejidos.

Entonces, la diferenciación de tejidos no se trata solo de tener genes que digan: "Esto se convertirá en un hígado" o "Esto se convertirá en tejido nervioso". Permite estilos de vida que simplemente no eran posibles antes, y permitió que los primeros gusanos atravesaran malas condiciones que mataron todo lo demás. La explosión del Cámbrico ocurrió después de eso. Cuando los niveles de oxígeno finalmente aumentaron, estos gusanos glorificados con múltiples tejidos fueron de repente el único espectáculo en la ciudad.

Esto se relaciona con algunas de sus ideas sobre el cáncer. Desde la década de 1970, la mayor parte del establecimiento biomédico que trabaja para curar y prevenir el cáncer se ha centrado en los oncogenes. Sin embargo, usted argumenta que el cáncer no es tanto una enfermedad genómica como metabólica. ¿Puedes explicar porque?

Hace aproximadamente 10 años, la comunidad del cáncer se sorprendió con el descubrimiento de que, en algunos tipos de cáncer, las mutaciones pueden hacer que partes del ciclo de Krebs retrocedan. Fue una gran sorpresa porque generalmente se enseña que el ciclo de Krebs solo gira hacia adelante para generar energía. Pero resulta que, si bien una célula cancerosa necesita energía, lo que realmente necesita aún más son componentes básicos basados en el carbono para crecer. Así que todo el campo de la oncología comenzó a ver esta inversión del ciclo de Krebs como una especie de cableado metabólico que ayuda al crecimiento de las células cancerosas.

Este descubrimiento también provocó una reinterpretación del hecho de que las células cancerosas crecen principalmente por lo que se llama glucólisis aeróbica. En efecto, las células cancerosas pasan de quemar oxígeno en sus mitocondrias para respirar a fermentar para obtener energía como las células de levadura, incluso en presencia de oxígeno. Cuando Otto Warburg informó esto hace casi 100 años, se centró en el lado de la energía. Pero la comunidad del cáncer ahora ve que este cambio tiene que ver con el crecimiento. Al cambiar a la glucólisis aeróbica para obtener energía, las células cancerosas liberan sus mitocondrias para otros fines. Las células cancerosas tienen mitocondrias biosintéticas para fabricar los componentes básicos de la vida.

En entornos desafiantes, los animales multicelulares pueden segregar tareas bioquímicas útiles pero incompatibles en diferentes tejidos. “Puedes hacer cosas en paralelo”, dijo Lane. “Puedes equilibrar lo que hace este tejido con lo que hace ese tejido”. 

Es cierto que se ven mutaciones de oncogenes en los cánceres. Pero los cánceres no son causados ​​simplemente por una mutación genéticamente determinista que obliga a las células a seguir creciendo sin parar. El metabolismo también es importante, ya que proporciona un entorno propicio para el crecimiento. El crecimiento viene antes que los genes en este sentido.

¿Qué nos hace más vulnerables al cáncer a medida que envejecemos, si no es una acumulación de mutaciones?

Creo que cualquier daño a la respiración que ralentiza el ciclo de Krebs hace que sea más probable que se revierta en biosíntesis. A medida que envejecemos y acumulamos todo tipo de daño celular, es probable que esta parte central de nuestro metabolismo comience a retroceder o que no avance con tanta eficacia. Eso significa que tendremos menos energía; significa que comenzaremos a aumentar de peso porque comenzamos a convertir el dióxido de carbono que exhalaríamos nuevamente en moléculas orgánicas. Nuestro riesgo de enfermedades como el cáncer aumenta porque tenemos un metabolismo que es propenso a ese tipo de crecimiento.

La comunidad de gerontología ha estado hablando en este sentido durante 10 a 20 años. El mayor factor de riesgo para las enfermedades relacionadas con la edad no son las mutaciones; es ser viejo. Si pudiéramos resolver el proceso subyacente del envejecimiento, entonces podríamos curar la mayoría de las enfermedades relacionadas con la edad. Parece tentadoramente simple en muchos aspectos. ¿Realmente vamos a vivir de repente hasta los 120 o los 800? No veo que suceda pronto. Pero entonces la pregunta es, ¿por qué no?

¿Por qué envejecemos? ¿Qué causa el daño celular creciente?

Hemos descubierto en los últimos cinco o seis años que los intermedios del ciclo de Krebs son señales potentes. Entonces, si el ciclo se ralentiza y comienza a retroceder, entonces comenzamos a acumular intermediarios y cosas como el succinato comienzan a sangrar fuera de las mitocondrias. Activan y desactivan miles de genes y cambian el estado epigenético de las células. El envejecimiento refleja su estado de metabolismo.

Tendemos a olvidar que el metabolismo involucra tal vez 20 mil millones de reacciones por segundo, segundo tras segundo, en cada célula de tu cuerpo. El gran volumen de moléculas que se transforman continuamente, en todas estas vías, incluido el corazón del ciclo de Krebs, es abrumador. Es un río inexorable de reacciones. No podemos revertir su flujo, pero tal vez podamos esperar canalizarlo un poco mejor entre los bancos. 

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BEBÉS CRISPR: ¿CUÁNDO ESTARÁ LISTO EL MUNDO?

Los esfuerzos para realizar cambios heredables en el genoma humano están llenos de incertidumbre. Esto es lo que se necesitaría para que la técnica sea segura y aceptable.

¿Qué es la tecnología CRISPR/Cas9 y cómo nos cambiará la vida?

La tecnología CRISPR/Cas9 es una herramienta molecular utilizada para “editar” o “corregir” el genoma de cualquier célula. Eso incluye, claro está, a las células humanas. Sería algo así como unas tijeras moleculares que son capaces de cortar cualquier molécula de ADN haciéndolo además de una manera muy precisa y totalmente controlada.  Esa capacidad de cortar el ADN es lo que permite modificar su secuencia, eliminando o insertando nuevo ADN.

Las siglas CRISPR/Cas9 provienen de Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, en español “Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente interespaciadas.” La segunda es el nombre de una serie de proteínas, principalmente unas nucleasas, que las llamaron así por CRISPR associated system (es decir: «sistema asociado a CRISPR»).

¿Cómo surgió?

Todo comenzó en 1987 cuando se publicó un artículo en el cual se describía cómo algunas bacterias (Streptococcus pyogenes) se defendían de las infecciones víricas. Estas bacterias tienen unas enzimas que son capaces de distinguir entre el material genético de la bacteria y el del virus y, una vez hecha la distinción, destruyen al material genético del virus.

Sin embargo, las bases de este mecanismo no se conocieron hasta más adelante, cuando se mapearon los genomas de algunas bacterias y otros microorganismos. Se encontró que una zona determinada del genoma de muchos microorganismos, sobre todo arqueas, estaba llena de repeticiones palindrómicas (que se leen igual al derecho y al revés) sin ninguna función aparente. Estas repeticiones estaban separadas entre sí mediante unas secuencias denominadas «espaciadores» que se parecían a otras de virus y plásmidos. Justo delante de esas repeticiones y «espaciadores» hay una secuencia llamada «líder». Estas secuencias son las que se llamaron CRISPR (“Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente interespaciadas”). Muy cerca de este agrupamiento se podían encontrar unos genes que codificaban para un tipo de nucleasas: los genes cas.

Las secuencias repetidas del CRISPR. Tomado de: Karginov FV y Hannon GJ. Mol Cell 2010

Cuando un virus entra dentro de la bacteria toma el control de la maquinaria celular y para ello interacciona con distintos componentes celulares. Pero las bacterias que tienen este sistema de defensa tienen un complejo formado por una proteína Cas unida al ARN producido a partir de las secuencias CRISPR. Entonces el material génico del virus puede interaccionar con este complejo. Si ocurre eso, el material genético viral es inactivado y posteriormente degradado. Pero el sistema va más allá. Las proteínas Cas son capaces de coger una pequeña parte del ADN viral, modificarlo e integrarlo dentro del conjunto de secuencias CRISPR. De esa forma, si esa bacteria (o su descendencia) se encuentra con ese mismo virus, ahora inactivará de forma mucho más eficiente al material genético viral. Es, por lo tanto, un verdadero sistema inmune de bacterias.

Proceso por el que el sistema CRISPR/Cas9 inactiva virus e integra parte de sus secuencias en el genoma de la bacteria.

Durante los años subsiguientes se continuó la investigación sobre este sistema, pero no fue hasta el año 2012 en el que se dio el paso clave para convertir este descubrimiento, esta observación biológica en una herramienta molecular útil en el laboratorio. En agosto de ese año un equipo de investigadores dirigido por las doctoras Emmanuelle Charpentier en la Universidad de Umeå y Jennifer Doudna, en la Universidad de California en Berkeley, publicó un artículo en la revista Science el que se demostraba cómo convertir esa maquinaria natural en una herramienta de edición «programable», que servía para cortar cualquier cadena de ADN in vitro. Es decir, lograban programar el sistema para que se dirigiera a una posición específica de un ADN cualquiera (no solo vírico) y lo cortaran.

Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier

La manera en que lo lograron es demasiado compleja para lo que pretende este blog. Baste simplemente decir que se utilizan unos ARNs que dirigen el sistema hacia el ADN que hay que cortar.

¿Cómo se edita el ADN con esta tecnología?

Todo comienza con el diseño de una molécula de ARN (CRISPR o ARN guía) que luego va  a ser insertada en una célula. Una vez dentro reconoce el sitio exacto del genoma donde la enzima Cas9 deberá cortar.

El proceso de editar un genoma con CRISPR/Cas9 incluye dos etapas. En la primer atapa el ARN guía se asocia con la enzima Cas9. Este ARN guía es específico de una secuencia concreta del ADN, de tal manera que por las reglas de complementariedad de nucleótidos se hibridará en esa secuencia (la que nos interesa editar o corregir). Entonces actúa Cas9, que es una enzima endonucleasa (es decir, una proteína que es capaz de romper un enlace en la cadena de los ácidos nucléicos), cortando el ADN. Básicamente podemos decir que el ARN guía actúa de perro lazarillo llevando a Cas9, el ejecutor, al sitio donde ha de realizar su función.

En la segunda etapa se activan al menos dos mecanismos naturales de reparación del ADN cortado. El primero llamado indel (inserción-deleción) hace que, después del sitio de corte (la secuencia específica del ADN donde se unió el ARN guía), bien aparezca un hueco en la cadena, bien se inserte un trocito más de cadena. Esto conlleva a la perdida de la función original del segmento de ADN cortado.

Un segundo mecanismo permite la incorporación de una secuencia concreta exactamente en el sitio original de corte. Para esto, lógicamente, hemos de darle a la célula la secuencia que queremos que se integre en el ADN.

A continuación les dejo un articulo sobre el tema, publicado en la revista Nature. Puedes acceder a la Versión PDF. 

Jeff Carroll estaba preocupado por transmitir la enfermedad de Huntington a sus hijos. Crédito: Taehoon Kim para Nature

Jeff Carroll había estado casado durante seis meses cuando él y su esposa decidieron no tener hijos. Carroll, de 25 años y ex cabo en el ejército de los EE. UU., Acababa de descubrir que tenía la mutación que causa la enfermedad de Huntington, un trastorno genético que devasta el cerebro y el sistema nervioso e invariablemente termina en una muerte prematura. Había aprendido que su madre tenía la enfermedad unos cuatro años antes, y ahora sabía que estaba seguro de desarrollarla también.

Ante una probabilidad del 50% de transmitir el mismo destino sombrío a sus hijos, la pareja decidió que los niños estaban fuera de discusión. "Simplemente cerramos eso", dice Carroll.

Pero había comenzado a estudiar biología en el ejército con la esperanza de aprender más sobre la enfermedad. Se enteró de un proceso llamado diagnóstico genético preimplantacional o PGD. Al concebir a través de la fertilización in vitro (FIV) y la detección de los embriones, Carroll y su esposa podrían eliminar la posibilidad de transmitir la mutación. Decidieron darle una oportunidad, y tuvieron gemelos libres de la mutación de Huntington en 2006.

Ahora Carroll es investigador en la Universidad Western Washington en Bellingham, donde utiliza otra técnica que podría ayudar a las parejas en su posición: la edición de genes CRISPR. Él ha estado utilizando la poderosa herramienta para modificar la expresión del gen responsable de la enfermedad de Huntington en las células de ratón. Debido a que es causado por un solo gen y es tan devastador, Huntington's a veces se presenta como un ejemplo de una condición en la que la edición de genes de un embrión humano, controvertida porque causaría cambios que serían heredados por las generaciones futuras, podría ser realmente poderosa. Pero la posibilidad de usar CRISPR para alterar el gen en embriones humanos todavía preocupa a Carroll. "Esa es una gran línea roja", dice. “Entiendo que la gente quiere repasarlo, yo también. Pero tenemos que ser súper humildes con estas cosas". Podría haber muchas consecuencias no deseadas, tanto para la salud de las personas como para la sociedad. Se necesitarán décadas de investigación, dice, antes de que la tecnología se pueda utilizar de forma segura.

La opinión pública sobre la edición de genes para prevenir enfermedades es en gran medida positiva. Pero la reticencia de Carroll es común entre los científicos. Cuando se dio a conocer el año pasado que un biofísico chino había usado la edición del genoma en un intento de hacer que los niños fueran más resistentes al VIH, muchos científicos se apresuraron a condenar el movimiento como prematuro e irresponsable.

Varios investigadores y sociedades científicas han pedido desde entonces una moratoria sobre la edición del genoma heredable en humanos. Pero tal moratoria plantea una pregunta importante, dice el embriólogo Tony Perry, de la Universidad de Bath, Reino Unido. "¿Cuándo se detendría?" él pide. "¿Qué condiciones necesitarías cumplir?"

Nature preguntó a los investigadores y otras partes interesadas qué obstáculos quedan antes de que la edición genética heredable pueda convertirse en una herramienta clínica aceptable. Aunque es probable que algunos desafíos científicos sean superables, es probable que la aprobación a gran escala requiera cambios en la forma en que se ejecutan los ensayos clínicos, así como un consenso más amplio sobre la tecnología.

Ediciones fuera del objetivo: ¿cuántos 'errores' son demasiados?

La edición del genoma presenta muchos desafíos técnicos difíciles, pero el espectro de la creación de cambios genéticos no deseados probablemente ha recibido la mayor atención, dice Martin Pera, investigador de células madre en el Laboratorio Jackson en Bar Harbor, Maine. Y, sin embargo, agrega, este desafío también podría ser el más fácil de superar.

La forma más popular de editar genes se basa en un sistema llamado CRISPR-Cas9. Cooptado de un mecanismo que utilizan algunos microbios para defenderse de los virus, utiliza una enzima llamada Cas9 para hacer cortes en el ADN. Un científico puede suministrar un fragmento de ARN para guiar a Cas9 a un sitio específico en el genoma. Pero se sabe que Cas9 y enzimas similares cortan el ADN en otros sitios, particularmente cuando hay secuencias de ADN en el genoma similares al objetivo (ver 'Efectos fuera del objetivo'). Tales recortes 'fuera del objetivo' podrían provocar problemas de salud: un cambio en un gen que suprime el crecimiento tumoral, por ejemplo, podría provocar cáncer.

Los investigadores han buscado desarrollar alternativas a la enzima Cas9, algunas de las cuales podrían ser menos propensas a errores. También han diseñado versiones de Cas9 que tienen tasas de error más bajas ¹ .

Las tasas de error varían según el sitio del genoma al que se dirige. Y muchas de las enzimas de edición de genes se han estudiado solo en ratones o en células humanas cultivadas en cultivo, no en embriones humanos. La tasa de errores podría diferir entre ratones y células humanas, y entre células maduras y embriones.

Es posible que el número de errores no necesite ser cero. Un pequeño número de cambios en el ADN ocurre naturalmente cada vez que una célula se divide. Algunos dicen que algunos cambios de fondo podrían ser aceptables, especialmente si la técnica se está utilizando para prevenir o tratar una enfermedad grave.

Algunos investigadores ya consideran que la tasa de error para CRISPR es suficientemente baja, dice Perry. "Pero, y creo que es un gran" pero ", realmente no tenemos un control sobre la especificidad de edición en ovocitos y embriones humanos", dice.

En el blanco, pero equivocado: ¿qué tan precisa debe ser la edición de genes?

Un problema mayor que los efectos fuera del objetivo pueden ser los cambios de ADN que están en el objetivo pero no son deseados. Después de que Cas9 o una enzima similar corta el ADN, depende de la célula sanar la herida. Pero los procesos de reparación de la célula son impredecibles.

Una forma de reparación, llamada unión final no homóloga, a menudo elimina algunas letras de ADN en el sitio de corte, un proceso que podría ser útil si el objetivo de la edición es cerrar la expresión de un gen mutante.

Otra forma de reparación, llamada reparación dirigida por homología, permite a los investigadores reescribir una secuencia de ADN, al proporcionar una plantilla que se copia en el sitio del corte. Esto podría usarse para corregir una enfermedad como la fibrosis quística, que generalmente es causada por pequeñas deleciones en el gen CFTR (ver 'Efectos sobre el objetivo').

Ambos procesos son difíciles de controlar. Las deleciones causadas por la unión final no homóloga pueden variar en tamaño, produciendo diferentes secuencias de ADN. La reparación dirigida por homología brinda más control sobre el proceso de edición, pero ocurre con una frecuencia mucho menor que las eliminaciones en muchos tipos de células. La investigación en ratones puede hacer que la edición de genes CRISPR parezca más precisa y eficiente de lo que es ahora, dice Andy Greenfield, genetista del Instituto Harwell del Consejo de Investigación Médica del Reino Unido, cerca de Oxford. Las literas de los ratones son grandes, por lo que los investigadores tienen muchos disparos al objetivo para obtener la edición correcta, descartando todos los errores. Lo mismo no sería cierto para los embriones humanos.

Todavía no está claro cuán eficiente sería la reparación dirigida por homología en humanos, o incluso cómo funcionaría. En 2017, un equipo utilizó CRISPR-Cas9 en embriones humanos para corregir las variantes genéticas asociadas con la insuficiencia cardíaca ² . Los embriones nunca se implantaron, pero los resultados sugirieron que las células modificadas habían utilizado el genoma de la madre como plantilla para la reparación del ADN, en lugar de la plantilla de ADN que los investigadores habían proporcionado. Esa podría ser una forma más confiable de editar el ADN en embriones humanos. Pero otros investigadores han informado desde entonces que no han podido repetir los resultados ³. "En este punto, realmente no entendemos cómo los embriones se ocupan de la reparación del ADN", dice Jennifer Doudna, bióloga molecular de la Universidad de California, Berkeley. "Se necesita mucho trabajo en otros tipos de embriones, solo para comprender los fundamentos".

Los investigadores están desarrollando formas de solucionar los problemas asociados con la reparación del ADN. Dos informes publicados en junio analizan un sistema CRISPR que puede insertar ADN en el genoma sin romper ambas cadenas, evitando así la dependencia de los mecanismos de reparación del ADN. Si los sistemas aguantan más pruebas, podrían ofrecer a los investigadores un mayor control sobre lo que editan ^4 , 5 .

Otro enfoque es utilizar una técnica llamada edición base. Los editores básicos fusionan un Cas9 deshabilitado con una enzima que puede convertir una letra de ADN en otra ⁶ . El Cas9 deshabilitado dirige el editor de base a un sitio en el genoma donde cambia químicamente el ADN directamente, en lugar de hacer un descanso. Los estudios publicados en abril han demostrado que algunos de estos editores básicos también son propensos a realizar cambios fuera del objetivo ^7 , 8 , pero se está trabajando para tratar de mejorar su fidelidad.

"La edición de bases actualmente no cumple con nuestros criterios", dice Matthew Porteus, un hematólogo pediátrico de la Universidad de Stanford en California. "Pero uno puede imaginar que cada vez es mejor".

Se busca, pero es peligroso: ¿qué ediciones son seguras?

Incluso si el objetivo y la precisión de los cambios en la edición del genoma fueran perfectos, todavía habría una pregunta sobre qué tipos de cambios en la línea germinal humana probablemente sean seguros. En 2017, un esfuerzo internacional encabezado por las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina de EE. UU. Describió las condiciones que deben cumplirse antes de editar un embrión humano destinado a la implantación ⁹ . Uno de los criterios era que la secuencia de ADN creada por la edición ya era común en la población y no conllevaba ningún riesgo conocido de enfermedad.

Solo ese requisito pondría la edición de genes heredables en personas fuera del alcance en un futuro próximo, dice Porteus. No solo es difícil predecir la secuencia precisa de una edición, sino que también es difícil saber con certeza que una variante no aumentará el riesgo de enfermedad.

Algunas mutaciones en un gen llamado PCSK9 , por ejemplo, están asociadas con niveles más bajos de colesterol y, por lo tanto, con un menor riesgo de enfermedad cardíaca. El gen a veces se sugiere como candidato para la edición. Pero solo un pequeño número de personas tiene esas mutaciones protectoras, señala Porteus. Las personas que se sabe que lo tienen son saludables, pero los investigadores no saben cuántos otros podrían haber tenido la mutación y haber muerto.

Jeff Carroll y su esposa finalmente utilizaron el diagnóstico genético previo a la implantación para asegurarse de que sus hijos no heredarían la mutación que causa la enfermedad de Huntington. Pero saben que no todas las familias son tan afortunadas. Crédito: Taehoon Kim para Nature

El primer intento conocido de edición genética heredable en humanos fue un esfuerzo por desactivar un gen llamado CCR5 , que produce un receptor de células inmunes que permite que el VIH infecte a los humanos. Rompe el gen, y los niños deberían ser resistentes al virus, razonó He Jiankui, entonces en la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur en Shenzhen, China. Intentó crear una mutación CCR5 que se encuentra naturalmente en algunas personas de ascendencia europea y está asociada con la resistencia al VIH. Pero un estudio publicado este mes utilizando datos del Biobank del Reino Unido encontró que la eliminación también podría acortar la vida útil ¹⁰ .

Los efectos de algunas variantes genéticas también pueden depender del medio ambiente y de otras variantes presentes en el genoma. La mutación CCR5 , por ejemplo, es muy rara en las poblaciones chinas, lo que genera preocupación de que el gen podría ser importante para la protección contra virus que las personas tendrían más probabilidades de encontrar en Asia.

Ese tipo de confusión puede causar problemas para la edición de genes heredables, señala Cletus Tandoh Andoh, un bioético de la Universidad de Yaundé en Camerún. "La mayoría de los estudios de asociación genética con enfermedades se han realizado en europeos", dice. Para desplegar la edición del genoma hereditario en África, por ejemplo, primero se necesitarían estudios extensos de genes y medio ambiente en poblaciones africanas, dice.

Bebés de patchwork: ¿cómo pueden los investigadores prevenir los mosaicos?

A veces, los genes difieren no solo entre los individuos de una población, sino también entre las células de un individuo. El advenimiento de la secuenciación rápida y barata del genoma ha revelado que esta condición, conocida como mosaicismo, es más común de lo que se pensaba.

El mosaicismo podría plantear problemas para la edición de genes. Un embrión ajustado para corregir un gen que causa la enfermedad de Huntington podría contener una mezcla de células corregidas y no corregidas. La forma en que eso afecta la salud del niño resultante dependería de qué células fueron editadas y cuáles no, algo que podría ser difícil de predecir de antemano.

Rudolf Jaenisch, un científico de células madre del Instituto Whitehead en Cambridge, Massachusetts, duda de que los investigadores puedan descartar la posibilidad de mosaicismo en un embrión. Y los métodos para analizar la secuencia de ADN en un embrión dependen de la eliminación de una pequeña cantidad de células para la prueba y luego su destrucción. Los investigadores no pueden analizar las células que quedan. "Incluso si hace un diagnóstico previo a la implantación", dice, "es imposible decidir si fue un éxito".

Algunos investigadores han informado que inyectaron la maquinaria CRISPR-Cas9 en embriones en las primeras etapas de desarrollo ² , cuando todavía son solo una célula. Esta técnica eliminó el mosaicismo, dijeron los autores. Pero tendrá que ser probado muchas veces más para estar seguro, dice Perry.

Y la edición del genoma tan temprano en el desarrollo crea un nuevo problema: no hay forma de distinguir los embriones que portan la enfermedad genética de los que no lo hacen en la etapa de células individuales, advierte Jaenisch. "Por definición, manipularás embriones sanos", dice Jaenisch, y los expondrás a riesgos innecesarios (ver 'Mosaicismo').

¿Sería tolerable algún grado de mosaicismo? Podría depender de la afección que se esté tratando, dice Krishanu Saha, bioingeniero de la Universidad de Wisconsin – Madison. "Si tenemos el 30% del hígado editado y estamos tratando de tratar, digamos, una enfermedad de la retina, ¿está bien?" él dice. "En algunos casos podría ser".

Tiempos de prueba: ¿cómo deben diseñarse los ensayos clínicos?

Con todas estas barreras tecnológicas aún por cruzar, se ha discutido relativamente poco sobre cómo se probaría la edición del genoma heredable en ensayos clínicos y qué datos se necesitarían antes de que la técnica pueda dar ese paso. Los requisitos deberían ser altos, porque los cambios podrían transmitirse a las generaciones futuras, dice Guoping Feng, neurocientífico del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge. "Esto no es como un efecto secundario" Voy a tener un calambre en el estómago "", dice. "Esto es permanente".

Algunos observan el ejemplo establecido por la Autoridad de Fertilización y Embriología Humana del Reino Unido (HFEA), que pasó 14 años analizando datos de animales y personas antes de que decidiera permitir condicionalmente una técnica llamada donación mitocondrial. La técnica permite a las mujeres con mutaciones que causan enfermedades en el ADN de las plantas de energía de la célula, sus mitocondrias, usar las mitocondrias del óvulo de un donante sano durante la FIV. Al igual que con la edición de genes, podría permitir a los padres evitar transmitir mutaciones peligrosas. Y todavía hay preguntas sobre la seguridad de este procedimiento: algunos países, incluido Estados Unidos, no lo permiten. Aun así, había muchos más datos disponibles sobre esa técnica que los que hay ahora para la edición CRISPR-Cas9 en embriones, dice Greenfield, quien sirvió en el panel HFEA.

Los ensayos clínicos en humanos presentarían una serie de nuevos desafíos. Por ejemplo, ¿por cuánto tiempo se necesitará hacer un seguimiento de los niños editados con genoma antes de que la técnica pueda considerarse segura? ¿Cómo rastrearán los investigadores a los niños de esos niños para buscar efectos transgeneracionales? "Va a ser un desastre", dice Bryan Cwik, un bioético de la Universidad Estatal de Portland en Oregon.

El 22 de mayo, la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU., La Academia Nacional de Medicina de EE. UU. Y la Royal Society del Reino Unido anunciaron un comité para estudiar estos aspectos de la edición de genes heredables. El panel tiene como objetivo publicar un informe el próximo año. "Realmente es necesario tener un conjunto de criterios mucho más profundo", dice Doudna. "Creo que todos deseamos que eso hubiera sucedido más rápido de lo que sucedió".

La pregunta más importante: ¿está listo el mundo?

A pesar de las considerables barreras científicas para la edición genética heredable, es probable que los problemas más difíciles sean éticos y sociales. Las consultas han estado en curso, y los informes y las declaraciones de posición han venido de las sociedades científicas de todo el mundo. En marzo, un panel convocado por la Organización Mundial de la Salud (OMS) concluyó que actualmente sería irresponsable realizar ediciones heredables del genoma en humanos. Los autores que escriben en Nature han pedido una moratoria global ¹¹ , y los miembros de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU., La Academia Nacional de Medicina de EE. UU. Y la Royal Society han dicho que "debemos lograr un amplio consenso social antes de tomar cualquier decisión".

Lograr el consenso mundial es una tarea desalentadora y, en la actualidad, la mayoría de las consultas se han realizado en países ricos y occidentales. Kewal Krishan, antropólogo de la Universidad de Panjab en Chandigarh, India, dice que ha habido poca discusión sobre la edición genética heredable en la India, por ejemplo. Y Andoh señala que en algunas culturas africanas, la presión para tener hijos es intensa, y las mujeres pueden ser excluidas de la comunidad por no hacerlo. Esto podría fomentar la demanda.

La demanda es otra pregunta completamente. Por ahora, no hay un gran clamor entre las personas afectadas por la enfermedad, dice Sharon Terry, presidenta y directora ejecutiva de Genetic Alliance, un grupo de defensa en Washington DC. El entusiasmo inicial se ha atenuado con el tiempo, tanto a medida que avanzaban los debates como a medida que los defensores de los pacientes se daban cuenta de que los tratamientos no eran inminentes, dice ella. Muchas familias en riesgo de transmitir enfermedades genéticas le dicen que, por ahora, solo quieren una forma de detectar mutaciones en sus embriones. Pero el cribado no es una panacea. No funcionará para todas las parejas.

Tales decisiones son intensamente personales, dice Andrew Imparato, director ejecutivo de la Asociación de Centros Universitarios sobre Discapacidades en Silver Spring, Maryland. Algunos miembros de la comunidad sorda, por ejemplo, acogen con beneplácito la idea de tener hijos sordos, y podrían estar preocupados de que las formas de editar las mutaciones sordas del genoma aumentarían la presión sobre las familias para que lo hagan.

Las encuestas públicas a menudo encuentran apoyo para la edición del genoma heredable, si se demuestra que es seguro y se usa para tratar enfermedades genéticas. Una encuesta del Reino Unido realizada por la Royal Society encontró que el 83% de los participantes estaban a favor de editar la línea germinal para tratar enfermedades incurables. Pero muchos dibujaron la línea en la edición para 'mejora': el 60%, por ejemplo, se opuso a la idea de usar la edición de genes heredables para mejorar la inteligencia.

Muchos científicos y especialistas en ética hacen una distinción similar, entre modificar el genoma para mejorar la capacidad atlética, por ejemplo, o cambiar el color de los ojos, en lugar de tratar o prevenir enfermedades. E incluso entonces, hay un debate sobre qué enfermedades podrían justificar tal enfoque. Las condiciones fatales con una contribución genética fuerte y clara, como la enfermedad de Huntington, que es casi inevitable cuando la mutación está presente, son los ejemplos más comunes. Pero cuando se trata de editar un gen como PCSK9 para prevenir el colesterol alto y evitar enfermedades cardíacas, las cosas son decididamente más grises, dice Feng. En última instancia, Porteus espera ver un registro de afecciones que hayan sido evaluadas por especialistas y consideradas dignas de intervención con la edición de genes heredables, tal como el Reino Unido ahora mantiene para PGD.

Aún así, algunas personas podrían estar avanzando silenciosamente hacia la idea de más niños editados genéticamente. Este mes, un científico ruso anunció su interés en llevar a cabo un proyecto para editar los genes de embriones humanos . Y la compañía de medios estadounidense STAT informó a fines del mes pasado que una clínica de fertilidad en Dubai había contactado a He para pedirle consejo sobre la edición de genes poco después de que hizo su anuncio.

Abha Saxena, bioética de la Universidad de Ginebra, Suiza, y ex asesora de la OMS, espera que las consultas continúen, incluso si el objetivo final de alcanzar un consenso global no fuera posible. “¿Alguna vez vamos a estar listos? Es difícil de decir ”, dice Saxena. "Pero la humanidad siempre ha sido aventurera".

Fuente: Revista Nature 570 , 293-296 (2019)

doi: 10.1038 / d41586-019-01906-z

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