Reescribiendo el ADN

David R. Liu lidera un grupo de investigación cuyo reconocimiento por la comunidad científica se debe a un hallazgo crucial para la edición del genoma humano que evoluciona la promesa del sistema de edición genética CRISPR, descubierto en los años 90. Su laboratorio ha creado editores de bases capaces de reescribir el ADN.

Si las proteínas CRISPR actúan como tijeras moleculares programadas para cortar secuencias de ADN específicas, los editores de bases son lápices que reescriben directamente una letra de ADN en otra. La historia de este descubrimiento, y su potencial para tratar o incluso curar las mutaciones puntuales causantes de la mayor parte de enfermedades genéticas, fue compartida por Liu durante el TED2019 celebrado en Vancouver, al que tuvimos oportunidad de asistir.

Una herencia frágil

La luz solar, el tabaco, una alimentación poco saludable, o incluso los errores espontáneos de las células, provocan cambios en los dos grupos de 3.000 millones de letras de ADN que conforman nuestro genoma. La alteración mas común es el sencillo cambio de una letra o base. A diario las células acumulan, de forma colectiva, miles de millones de cambios de una única letra, también denominados “mutaciones puntuales”.

La mayoría son inofensivas, pero a veces una mutación puntual puede desestabilizar una función importante de las células o hacer que actúe de manera perjudicial. Si esta se hereda de los padres, u ocurre tempranamente en el desarrollo, el resultado es que muchas o todas las células tienen esa mutación perjudicial. Ese es el caso de enfermedades genéticas como la anemia falciforme, la progeria o la distrofia muscular.

Estas enfermedades son especialmente frustrantes, ya que a menudo conocemos el cambio de letra que causa la enfermedad y, en teoría, se podría curar. Millones de personas padecen anemia falciforme porque presentan una mutación puntual de una letra A por una T en ambas copias del gen de la hemoglobina. Los niños con progeria nacen con una T en una posición única de su genoma donde deberían tener una C, y esto tiene consecuencias devastadoras que les hacen envejecer de forma acelerada y fallecer aproximadamente a los 14 años.

Corregir las mutaciones puntuales

Hasta ahora, no habíamos encontrado una manera eficiente de corregir estas mutaciones puntuales. Recientemente, mi laboratorio consiguió desarrollar esa habilidad mediante lo que llamamos “edición de bases”.

Consideramos que las bacterias son focos de infección, pero las mismas bacterias son propensas a infecciones, en especial virales. Hace unos 3.000 millones de años que las bacterias desarrollaron un mecanismo de defensa para combatir las infecciones virales, hoy mejor conocido como CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Lo esencial de CRISPR es una proteína que actúa como unas tijeras moleculares que cortan el ADN y rompen la doble hélice en dos.

Si CRISPR no pudiera distinguir entre ADN bacteriano y viral, no sería un sistema de defensa muy útil; pero su característica más asombrosa es que las tijeras pueden programarse para buscar, unirse y cortar únicamente una secuencia específica del ADN. Así, cuando una bacteria encuentra un virus por primera vez, puede almacenar un pequeño fragmento del ADN de ese virus, que usará luego como programa para dirigir las tijeras CRISPR y cortar la secuencia del ADN viral durante una infección futura.

Cortar el ADN del virus estropea la función del gen viral cortado, y afecta consecuentemente al ciclo de vida del virus. Investigadores destacados demostraron cómo las tijeras genéticas CRISPR podían programarse para cortar secuencias de ADN seleccionadas por nosotros, incluso secuencias del genoma en lugar de las secuencias de ADN viral escogidas por las bacterias. Pero los resultados son similares: cortar esas secuencias de ADN del genoma también afecta a la función del gen cortado, al causar la inserción y eliminación de mezclas aleatorias de letras de ADN en el lugar donde se hace el corte.

Desestabilizar los genes puede ser muy útil para algunas aplicaciones, pero en la mayor parte de las mutaciones puntuales que causan enfermedades genéticas simplemente cortar el gen ya mutado no beneficia al paciente, porque se necesita restaurar la función del gen mutado, no desestabilizarla aún más. Así que cortar el gen ya mutado de la hemoglobina que causa la anemia falciforme no restaura la habilidad del paciente de generar glóbulos rojos sanos.

El editor de bases

Como químico, comencé a trabajar con mis alumnos para idear formas de aplicar la química directamente a una base individual del ADN y arreglar las mutaciones que causan la enfermedad genética, en lugar de desestabilizarlas. El resultado de nuestro trabajo es una máquina molecular llamada “editor de bases”.

Estos usan los mecanismos programables de búsqueda de las tijeras CRISPR, pero en lugar de cortar el ADN, directamente convierten una base en otra, sin desestabilizar el resto del gen. Si consideramos a las proteínas naturales de CRISPR como tijeras moleculares, podemos considerar a los editores de bases como lápices capaces de reemplazar una letra de ADN por otra, al reacomodar los átomos de una base de ADN y volverla así una base diferente.

Pero estos editores no existen en la naturaleza; de hecho, creamos el primero a partir de tres proteínas separadas que ni siquiera provienen del mismo organismo. Comenzamos por suprimir la habilidad de las tijeras CRISPR de cortar ADN, pero mantuvimos la de buscar y unirse a secuencias específicas de ADN de forma programada. A las tijeras deshabilitadas, les adjuntamos una segunda proteína que produce una reacción química en la base C del ADN y la convierte en una base que se comporta como T. Luego tuvimos que adjuntar a las primeras dos proteínas una tercera, que evita que la base editada sea eliminada por la célula. El resultado es una proteína artificial de tres partes que, por primera vez, nos permite convertir las C en T en lugares específicos del genoma.

Pero esto era sólo la mitad del trabajo, ya que para poder permanecer estable en las células, las dos cadenas de la hélice doble del ADN deben formar pares de bases. Y como la C solamente se une a la G y la T solo a la A, el cambiar una C por una T en una cadena de ADN crea una incompatibilidad, una incongruencia entre las dos cadenas de ADN que la célula debe resolver decidiendo qué cadena reemplazar.

Descubrimos que podíamos modificar más aún la proteína de tres partes para que esta señalase la cadena no editada como la que debe reemplazarse haciéndole una incisión. Esto engaña a la célula para que reemplace la G no editada por una A, a la vez que rehace la cadena marcada, completando así la conversión de lo que solía ser un par C-G por un par T-A estable.

Después de varios años de arduo trabajo, conseguimos desarrollar el primer editor de bases capaz de convertir la C en T y la G en A en posiciones específicas que escogemos.

Entre las más de 35.000 mutaciones puntuales patógenas conocidas, las primeras dos mutaciones que este editor de bases puede convertir corresponden aproximadamente al 14% de ellas. Pero para corregir la mayor parte de las que causan enfermedades – incluso la que causa la progeria–, necesitábamos desarrollar una segunda clase de editor de bases capaz de convertir las A en G y las T en C. Así que nos dispusimos a crear un segundo editor.

Descubrimos que de nuevo podíamos emplear los mecanismos de búsqueda de las tijeras CRISP, pero nos topamos con un problema: no se conoce ninguna proteína que convierta las A en G ni las T en C en el ADN. De modo que la creamos en el laboratorio y al anexar esa proteína a las tijeras CRISPR deshabilitadas, produjimos el segundo editor de bases, que usa la misma estrategia de efectuar una incisión en la cadena que usamos con el primer editor de bases para engañar a la célula y hacer que reemplace la T no editada por una C, a la vez que rehace esa cadena cortada, completando así la conversión de un par A-T en un par G-C.

Un potencial por descubrir

Desarrollamos estos dos editores hace tres y un año y medio, respectivamente; pero en este breve periodo, la edición de bases se ha vuelto muy popular en la comunidad de investigación biomédica. Aunque no se ha empleado en ensayos clínicos humanos, los científicos han realizado avances fundamentales en animales para corregir mutaciones puntuales que causan enfermedades genéticas humanas, y para revertir las consecuencias de la tirosinemia, la beta talasemia, la distrofia muscular, la fenilcetonuria, un tipo de sordera congénita y un tipo de enfermedad cardiovascular; además de en plantas, para introducir cambios en una letra individual y así conseguir mejores cultivos. También los biólogos han usado los editores de bases para indagar en la función de las letras individuales en genes asociados a enfermedades como el cáncer.

Continuar con el desarrollo de nuevas máquinas moleculares capaces de realizar todas las conversiones de bases restantes es tan esencial como colaborar con científicos, doctores, eticistas y gobiernos para garantizar que la edición de bases se aplique de forma segura y ética. 

David R. Liu, biólogo químico, pionero en la edición del genoma

Texto publicado en Executive Excellence nº161, oct. 2019

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