Por Michael Antoniou y Claire Robinson, 22 de noviembre de 2024
Se están desarrollando herramientas de edición genética basadas en CRISPR para corregir secciones defectuosas específicas del genoma con el fin de curar enfermedades genéticas hereditarias, y algunas aplicaciones ya están en fase de ensayo clínico. Sin embargo, hay un inconveniente: en determinadas condiciones, la reparación puede dar lugar a deleciones y reordenamientos del ADN a gran escala, como en el caso del gen NCF1 de la enfermedad granulomatosa crónica (EGC). Este es el estudio realizado por un equipo de investigadores y médicos del programa de investigación clínica ImmuGene de la Universidad de Zúrich (UZH).
Sus hallazgos tienen implicaciones importantes no sólo para la terapia basada en la edición de genes, sino también para la edición de genes mediada por CRISPR en animales y plantas, donde podrían desencadenarse los mismos tipos de daños genéticos a gran escala. De hecho, dado que este tipo de edición se lleva a cabo con mucha menos precaución en organismos no humanos, la probabilidad de que se produzcan estos daños a gran escala aumenta enormemente (véase más adelante sobre la multiplexación).
El estudio también muestra que los intentos de evitar estos problemas mediante el uso de adaptaciones de las tecnologías de edición genética CRISPR, como la edición primaria y de base, pueden no tener éxito.
Esta investigación sobre la EGC es sólo la última de una serie de estudios que han demostrado repetidamente que diferentes tipos de mutaciones no intencionadas resultantes de la edición de genes pueden afectar al funcionamiento de múltiples sistemas genéticos, con consecuencias potencialmente dañinas.
¿Qué es la EGC?
La EGC es una enfermedad hereditaria rara que afecta aproximadamente a una de cada 120.000 personas. La enfermedad afecta al componente del sistema inmunitario responsable de combatir las infecciones, lo que puede poner en peligro la vida del paciente. Una variante de la EGC está causada por la ausencia de dos letras en la secuencia genética de la unidad de base del ADN que codifica la proteína NCF1. Este error provoca la incapacidad de las células sanguíneas conocidas como neutrófilos para producir un complejo enzimático que desempeña un papel esencial en la defensa inmunitaria contra las infecciones bacterianas, por levaduras y por hongos.
Conclusiones del nuevo estudio
En el nuevo estudio, el equipo de investigadores consiguió utilizar el sistema de edición genética CRISPR para insertar las letras de unidad de base de ADN que faltaban en el lugar correcto del gen NCF1, reparando así el defecto genético. Inicialmente realizaron experimentos en cultivos de células humanas que contenían el gen NCF1 defectuoso. A continuación, los autores realizaron experimentos con las dianas celulares naturales de la terapia génica de la EGC: células madre y progenitoras de médula ósea* de pacientes con EGC que presentaban el defecto en el gen NCF1.
Sin embargo, algunas de las células reparadas mostraban ahora nuevos defectos genéticos que afectaban a grandes regiones del ADN. Faltaban secciones enteras del cromosoma alrededor del lugar en el que se había producido la reparación genética. En algunos casos, estas secciones perdidas abarcaban millones de unidades de base de ADN, lo que provocó la pérdida de muchos genes (17 en un caso). La razón es la constelación genética especial en la que se encuentra el gen NCF1: Está presente tres veces en el mismo cromosoma, una como gen que funciona normalmente y dos en forma de pseudogenes defectuosos (copias imperfectas del gen funcional). Estos pseudogenes son incapaces de producir la proteína NCF1 normal, por lo que no pueden contribuir a la formación del complejo enzimático que necesitan los neutrófilos para combatir las infecciones.
La herramienta de edición genética CRISPR no podía distinguir entre las distintas versiones del gen NCF1, por lo que ocasionalmente cortaba la cadena de ADN en varios puntos del cromosoma, tanto en el gen NCF1 que funcionaba normalmente como en los pseudogenes defectuosos. Cuando las secciones se volvieron a unir posteriormente, en algunos casos, segmentos enteros del gen estaban desalineados o faltaban. Las consecuencias médicas son impredecibles y, en el peor de los casos, pueden contribuir al desarrollo de leucemia. «Esto exige cautela a la hora de utilizar la tecnología CRISPR en un entorno clínico», afirma la autora principal, Janine Reichenbach.
Se busca un método más seguro
En un esfuerzo por minimizar los riesgos de introducir inadvertidamente daños a gran escala en el ADN, el equipo probó varios métodos utilizando distintas versiones de la herramienta de edición genética CRISPR.
En primer lugar, introdujeron en las células un complejo de edición CRISPR/Cas preensamblado, conocido como RNP (ribonucleoproteína), en lugar de material genético (plásmidos) que codifica esta herramienta de edición de genes. El uso de complejos CRISPR/Cas RNP preensamblados se ha convertido en un estándar en el campo de la terapia génica, ya que una vez dentro de las células diana son más efímeros que el ADN plasmídico, por lo que tienen menos tiempo para causar daños involuntarios en el ADN. Los investigadores descubrieron que la RNP CRISPR/Cas podía corregir con éxito el defecto genético NCF1 en el 5% o el 50% de las células diana, dependiendo del tipo celular. Sin embargo, esto no impidió la formación de daños en el ADN a gran escala en una elevada proporción de estas células diana: el 25% o el 35%.
En segundo lugar, los investigadores también probaron variantes de la herramienta de edición genética CRISPR/Cas que introducen únicamente roturas de una sola hebra de ADN en lugar de la rotura más habitual de doble hebra de ADN. Con ello se pretendía evitar la formación de roturas de doble cadena, generalmente consideradas las causantes de daños a gran escala en el ADN. También estudiaron la posibilidad de utilizar elementos protectores que redujeran la probabilidad de que la herramienta de edición genética cortara el cromosoma en varios sitios simultáneamente. Desgraciadamente, ninguna de estas medidas fue capaz de evitar por completo los efectos no deseados, incluso, lo que quizá resulte sorprendente, cuando la herramienta CRISPR no causó ninguna rotura de doble cadena de ADN.
Esto sirve de advertencia a quienes desarrollan métodos de edición genética basados en CRISPR que implican procesos conocidos como edición primaria y edición de bases, que se basan en roturas de ADN de cadena sencilla para llevar a cabo su actividad de edición. Se suele suponer que el uso de estos métodos minimiza el riesgo de crear grandes deleciones y reordenamientos involuntarios en el ADN. Pero la nueva investigación demuestra que puede no ser así y que es necesaria una cuidadosa caracterización genética molecular, como la secuenciación de ADN de lectura larga, para garantizar que esto no ha ocurrido.
«Este estudio pone de relieve tanto los aspectos prometedores como los problemáticos de las terapias basadas en CRISPR», afirmó Martin Jinek, coautor del estudio y profesor del Departamento de Bioquímica de la UZH. Según Jinek, el estudio aporta información valiosa para el desarrollo de terapias de edición genética contra la EGC y otros trastornos hereditarios. «Sin embargo, se necesitan más avances tecnológicos para que el método sea más seguro y eficaz en el futuro».
Implicaciones para la edición genética de animales y plantas
Aunque este estudio se refiere a la terapia génica humana, tiene importantes implicaciones para la edición génica de animales y plantas. Esto se debe a que los tipos de daños a gran escala en el genoma descritos en este estudio también pueden surgir durante la edición génica de estos organismos. En consecuencia, el funcionamiento de muchos genes puede verse alterado o perderse. Esto, a su vez, puede provocar cambios importantes en la función bioquímica y celular del organismo. En los animales, los efectos no deseados observados en este estudio podrían perjudicar la salud, incluso causar enfermedades como el cáncer y defectos de desarrollo. En el caso de las plantas alimentarias editadas genéticamente, el resultado podría ser una toxicidad o alergenicidad inesperadas, o un contenido nutricional alterado.
Muchos ingenieros genéticos afirman que pueden eliminar las plantas con mutaciones genéticas no deseadas. Sin embargo, a menos que una mutación haga que la planta parezca obviamente enferma o no crezca ni se propague, podría pasar desapercibida, aunque haya dado lugar a una composición bioquímica alterada que pueda perjudicar al consumidor.
Riesgos de la multiplexación
La probabilidad de que los daños a gran escala en el ADN observados en este estudio se produzcan en la edición genética de plantas alimentarias aumenta enormemente por la aspiración de los ingenieros genéticos de plantas de atacar múltiples genes simultáneamente («multiplexación»). La multiplexación consiste en introducir en las células varias herramientas CRISPR/Cas al mismo tiempo, con el objetivo de atacar varios puntos diferentes del ADN del organismo. Esto da lugar a la creación simultánea de varios cortes en el ADN de las células y, en consecuencia, existe un riesgo muy elevado de que se produzcan grandes deleciones y reordenamientos al reparar el ADN, como se demuestra gráficamente en este estudio.
Se requiere un escrutinio cuidadoso
En conclusión, este estudio exhaustivo ha demostrado cómo pueden producirse deleciones y reordenamientos a gran escala del genoma tras la actividad de una única herramienta de edición genética CRISPR/Cas. Se ha comprobado que esto ocurre cuando la actividad de la herramienta de edición genética produce una rotura de una o dos cadenas de ADN tanto en los lugares de edición previstos como en los no previstos. Este proceso también imita lo que ocurre durante las aplicaciones de edición múltiple de genes mediadas por CRISPR/Cas. Los autores advierten de que los lugares de edición genética deben examinarse cuidadosamente para evitar que este mecanismo produzca estos resultados.
Las personas que trabajan en el campo de la edición genética agrícola deben asegurarse de que también lo hacen. Pero hasta ahora no hemos visto pruebas de que lo estén haciendo. Esta omisión puede dar lugar a que se pierda una caracterización genética molecular crucial y las consecuencias posteriores de cualquier daño genético en un producto final editado genéticamente que esté destinado al mercado. Estas consecuencias pueden incluir la alteración de múltiples funciones genéticas, lo que provocaría cambios bioquímicos que darían lugar a una toxicidad o alergenicidad inesperadas, o a un contenido nutricional comprometido. Es necesario establecer una normativa que exija que todas estas posibilidades se examinen en una evaluación de riesgos en profundidad.
El nuevo estudio:
Federica Raimondi et al. Gene editing of NCF1 loci is associated with homologous recombination and chromosomal rearrangements. Comunicaciones Biología. 9 de octubre de 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-024-06959-z
* Las células madre de la médula ósea son las células parentales a partir de las cuales se producen todos los tipos de células sanguíneas. Esto incluye los glóbulos rojos y las células del sistema inmunitario (por ejemplo, células T, células B y neutrófilos).
Para más información sobre los resultados inesperados y los riesgos de la edición genética, véase MITOS, RIESGOS Y RECURSOS DE LA EDICIÓN GENÉTICA.
Fuente de las citas: Universidad de Zúrich
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