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SIDA, 35 años de lucha contra un flagelo global
Author: BIOGENIC on miércoles, 13 de julio de 2016

Por: Leonardo Galindo-González

Treinta y cinco años han pasado desde que los primeros casos del Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida (SIDA) fueron detectados. Actualmente existen 36.9 millones de personas (casos reportados) incluyendo 2.6 millones de niños que viven con esta enfermedad en el mundo [1].

A principios de los años 80 el SIDA fue detectado por primera vez en los Estados Unidos [2]. Sin embargo, el virus que ataca las células de defensa de los humanos produciendo este síndrome, conocido como VIH (virus de inmunodeficiencia humana), se habría originado 60 años atrás, en lo que actualmente se conoce como República Democrática del Congo [3]. En 1999 investigadores de Estados Unidos, el Reino Unido y Francia encontraron un virus en chimpancés denominado virus de inmunodeficiencia en simios (VIS), que era el pariente más cercano del VIH, estableciendo que el virus posiblemente había pasado de los chimpancés a los humanos [4]. Aunque no existe una teoría totalmente aceptada de como dicho virus logró romper la barrera entre las dos especies, la explicación más aceptada es que posiblemente los simios fueron cazados y su carne infectada por el virus fue consumida por los humanos.

La patogénesis del virus era confusa, y a principio de la década de los 80, cuando se dieron los primeros casos, la sintomatología apuntaba a que la gente estaba muriendo de todo tipo de enfermedades desde cáncer hasta neumonía [5], y debido a una incidencia inicial en la comunidad gay, se creía que la enfermedad era un problema de homosexuales exclusivamente. Esto ocurrió hasta la mitad de 1982 cuando la enfermedad fue reportada en gente heterosexual con hemofilia y personas en Haití [6,7].

Era precisamente la ausencia de conocimiento del virus y de cómo actuaba una vez invadía el organismo, lo que no permitía entender la enfermedad. Sin embargo, luego de que el virus fue aislado en 1983 [8,9], se empezó a elucidar que el virus atacaba las células que precisamente nos defienden de  las enfermedades. Esto explicaba porque la gente moría incluso de enfermedades que habían sido controladas por la medicina moderna por décadas, porqué el virus infecta y destruye las células que en teoría nos ayudan a controlarlo y de paso destruye nuestras defensas contra otras enfermedades.

El VIH no solo puede generar millones de copias cada día al infectar las células de defensa, sino que también tiene una alta tasa de cambios en su genoma cada vez que se reproduce [10,11]. Esto le permite al virus generar resistencia ante los diferentes tratamientos que se utilizan contra él. El genoma, es similar a un centro de control de instrucciones para que la célula funcione y tenga una estructura específica; todos tenemos este centro de control y a veces se efectúan pequeñas modificaciones en las instrucciones, pero el aspecto y función general de nuestras células no cambian mucho. Sin embargo en los virus, el centro de control permite más cambios de lo usual para que la estructura del virus se modifique lo suficiente de modo que los mecanismos de defensa y las drogas no puedan atacarlo. En otras palabras las drogas diseñadas para atacar un virus específico hoy, pueden no servir mañana pues el virus ya no se ve igual.

Esto no ha impedido que se siga trabajando arduamente para buscar medicamentos y tratamiento que al menos disminuyan o controlen la abundancia del virus en los pacientes. Es precisamente el estudio continuo de como el virus infecta nuestras células y cambia continuamente, lo que ha permitido mejorar el arsenal en la lucha contra el VIH. Por ejemplo, las drogas antiretrovirales (el VIH es un retrovirus), estuvieron a la vanguardia de los tratamientos contra el virus en los años 90. Estas drogas evitan que el virus se incorpore al genoma de la célula hospedera, que es el mecanismo que utiliza para poder reproducirse [12]. Estas medicinas fueron dadas inicialmente de forma individual, pero con el tiempo se han creado cocteles de varias drogas que son aún más efectivos en detener el avance desenfrenado del virus, lo que ha provocado que la enfermedad haya pasado de mortal a crónica y manejable en muchos casos [13].


A pesar de que las drogas antiretrovirales permiten alargar la vida o controlar enfermedad, no logran curarla. Sin embargo, hace unos años se encontró que un paciente en Berlin con VIH y que sufría de leucemia, recibió transplante de médula de un donante que tenía un defecto en un receptor mediante el cual el virus se ancla a las células para luego penetrar en ellas (la interacción entre virus y célula se hace como si el virus tuviera llaves en su superficie para candados o receptores en la superficie de la célula que es invadida - Figura 1), y luego del transplante el virus desapareció casi por completo del paciente [14]. 


Figura 1. Las proteínas llamadas gp41 y gp120 son las llaves que utiliza el virus para entrar a la célula. El receptor principal celular (llamado CD4) actua como el candado para que la llave viral se ancle. Tomado de: http://www.ebioworld.com/2012_07_01_archive.html.

Esto ha abierto un campo de investigación para alterar a propósito el gen que genera este receptor en los pacientes de SIDA (los genes tienen las instrucciones para construir estos receptores), lo que podría convertirse en un tratamiento efectivo; es algo así como dañar el candado para que la llave no entre. Es posible que con las nuevas tecnologías que han emergido en los últimos años, que permiten básicamente alterar cualquier gen que queramos [15–17] dañar estos candados celulares sea aún más sencillo. Por otra parte, el año pasado uno de los descubridores del virus, el Dr. Robert Gallo, y sus colaboradores , anunciaron las pruebas en humanos para una vacuna contra el VIH en la que han trabajado por más de una década [18]. Aunque suena prometedor, tendremos que esperar a que estas evaluaciones en humanos sean exitosas antes de ver si este también es un tratamiento posible.

El VIH continua siendo uno de los más grandes flagelos de este siglo, pero los avances exponenciales de los grupos pioneros en investigación del virus, y las nuevas tecnologías de modificación de genes, junto con la tradicional terapia antiretroviral, dan esperanzas de que una cura pueda ser descubierta en un futuro no muy lejano.


Referencias

1. AIDS.gov [Internet]. [cited 2016 Jun 16]. Available from: https://www.aids.gov/
2. (CDC) C for DC& P. Pneumocystis Pneumonia -- Los Angeles. Morb. Mortal. Wkly. Rep. 1981;30:250–2.
3. Faria NR, Rambaut A, Suchard MA, Baele G, Bedford T, Ward MJ, et al. The early spread and epidemic ignition of HIV-1 in human populations. Science. 2014;346:56–61.
4. Gao F, Bailes E, Robertson DL, Chen Y, Rodenburg CM, Michael SF, et al. Origin of HIV-1 in the chimpanzee Pan troglodytes troglodytes. Nature. 1999;397:436–41.
5. (CDC) C for DC& P. Kaposi’s Sarcoma and Pneumocystis Pneumonia Among Homosexual Men. Morb. Mortal. Wkly. Rep. 1981;30:305–8.
6. (CDC) C for DC& P. Pneumocystis carinii Pneumonia among persons with Hemophilia A. Morb. Mortal. Wkly. Rep. 1982;31:365–7.
7. (CDC) C for DC& P. Opportunistic infections and Kaposi’s Sarcoma among Haitians in the United States. Morb. Mortal. Wkly. Rep. 1982;31:360–1.
8. Gallo RC, Sarin PS, Gelmann EP, Robert-Guroff M, Richardson E, Kalyanaraman VS, et al. Isolation of human T-cell leukemia virus in acquired immune deficiency syndrome (AIDS). Science. 1983;220:865–7.
9. Barré-Sinoussi F, Chermann JC, Rey F, Nugeyre MT, Chamaret S, Gruest J, et al. Isolation of a T-lymphotropic retrovirus from a patient at risk for acquired immune deficiency syndrome (AIDS). Science. 1983;220:868–71.
10. Rambaut A, Posada D, Crandall KA, Holmes EC. The causes and consequences of HIV evolution. Nat. Rev. Genet. 2004;5:52–61.
11. Nora T, Charpentier C, Tenaillon O, Hoede C, Clavel F, Hance AJ. Contribution of recombination to the evolution of human immunodeficiency viruses expressing resistance to antiretroviral treatment. J. Virol. 2007;81:7620–8.
12. Arts EJ, Hazuda DJ. HIV-1 antiretroviral drug therapy. Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2012;2:a007161.
13. Maartens G, Celum C, Lewin SR. HIV infection: Epidemiology, pathogenesis, treatment, and prevention. Lancet. Elsevier Ltd; 2014;384:258–71.
14. Hütter G, Nowak D, Mossner Ma, Ganepola S, Müßig A, Allers K, et al. Long-Term control of HIV by CCR5 delta32/delta32 stem-cell transplantation. N. Engl. J. Med. 2009;360:692–7.
15. Doudna JA, Charpentier E. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science (80-. ). 2014;346:1258096–1258096.
16. Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, Hauer M, Doudna JA, Charpentier E. A programmable dual-RNA – guided DNA endonuclease in adaptative bacterial immunity. Science (80-. ). 2012;337:816–22.
17. Gilbert LA, Larson MH, Morsut L, Liu Z, Brar GA, Torres SE, et al. CRISPR-mediated modular RNA-guided regulation of transcription in eukaryotes. Cell. Elsevier Inc.; 2013;154:442–51.
18. AIDS pioneer finally brings AIDS vaccine to clinic [Internet]. Sci. News. [cited 2016 Jun 22]. Available from: http://www.sciencemag.org/news/2015/10/aids-pioneer-finally-brings-aids-vaccine-clinic?rss=1

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CRISPR, una herramienta para editar el genoma que está revolucionando la ciencia
Author: BIOGENIC on jueves, 8 de octubre de 2015

Por Diana Bernal-Franco

Como todos los seres vivos, los humanos estamos hechos en gran parte de proteínas, las cuales determinan muchas de las características de nuestros cuerpos. Las proteínas están codificadas por nuestro material genético, también conocido como ADN (Ácido DesoxirriboNucleico). Por esta razón, las diferencias entre el ADN de diferentes individuos, son a la larga las responsables por las diferencias entre individuos que hacen único a cada ser humano. Desde el 2012 se ha venido consolidando una herramienta que permite hacer cambios al ADN de forma muy precisa y relativamente fácil, conocida como CRISPR, la cual está revolucionando la comunidad científica por las increíbles oportunidades que abre para la investigación en medicina, agricultura y medio ambiente, y esta generando grandes debates éticos por el potencial que tiene para permitirnos crear bebes con características a nuestro antojo (Dance 2015).

¿Qué es CRISPR?

CRISPR es una herramienta de ingeniería genética basada en un sistema de defensa que tienen las bacterias. Cuando las bacterias son atacadas por virus, las bacterias se defienden cortando el material genético de éstos, utilizando unas “tijeras moleculares”, guiadas por ciertas secuencias que las bacterias han guardado dentro su propio material genético de ataques anteriores. Dichas secuencias tienen una estructura muy particular, que consta de una secuencia pequeña de ADN, seguida por la misma secuencia pero en reversa (es decir secuencias palindrómas), seguida por la secuencia que guía las “tijeras moleculares” hacia el ADN viral, seguida por mas secuencias palindrómas. Toda esta estructura se repite varias veces, cada vez secuencias que guía las “tijeras moleculares” hacia diferentes ADN virales. De ahí su nombre CRISPR, que no es más que las siglas de la descripción de la estructura de estas secuencias en inglés: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat. Desde el 2012, unos cuatro grupos de investigación han venido desarrollado la tecnología necesaria para convertir este sistema de defensa de las bacterias en una herramienta que les permita a los científicos cortar secuencias específicas de ADN en cualquier organismo (Pennisi 2013). Una vez los científicos cortan la secuencia de ADN que desean, el sistema de reparación de ADN de cada organismo intenta reparar el ADN cortado, pero este proceso es imperfecto, por lo cual la secuencia de ADN queda, en efecto, modificada (Dance 2015), como se ilustra en la figura 1.


Figura 1. Utilizando unas “tijeras moleculares” y una molécula guía de ARN -una molécula fácil y barata de obtener- los científicos pueden hacer cambios a las secuencias especificas de ADN que deseen. La molécula guía de ARN encuentra su secuencia de ADN complementaria y la corta. Cuando el organismo intenta reparar el corte ocurren errores y así la secuencia de ADN deseada queda modificada. Basado en Pennisi 2013.

¿Cuáles son las ventajas de CRISPR?

Antes de la aparición de CRISPR ya existían herramientas que permitían a los científicos modificar el ADN. Sin embargo, dichas herramientas son muy complejas y costosas, por lo que obtener resultados tangibles en un proyecto de modificación del ADN tardaba meses. Ahora, con la llegada de CRISPR, se pueden empezar a obtener resultados tangibles en cuestión de semanas (Pennisi 2013). Esta gran ventaja de CRISPR se debe a que el reconocimiento del ADN a modificar se logra a través de una molécula fácil de sintetizar y de almacenar, llamada ARN (que es como una prima del ADN), mientras que en las herramientas anteriores, el reconocimiento del ADN a modificar se basaba en proteínas, que son moléculas difíciles de sintetizar y de almacenar. En consecuencia, los experimentos basados en CRISPR son mucho más fáciles, baratos y rápidos de realizar, por lo que CRISPR está reemplazando a las anteriores herramientas de modificación del ADN en los laboratorios de investigación alrededor del mundo (Ledford 2015).

Aplicaciones de CRISPR y sus controversias

CRISPR puede funcionar prácticamente en cualquier organismo. Se ha utilizado exitosamente en levaduras, tabaco, arroz, ranas, ratones, conejos, y humanos (Sander and Joung 2014). Así que CRISPR tiene el potencial de ser aplicado en campos tan variados como el mejoramiento de plantas o animales, manejo ambiental y medicina.

Mejoramiento de plantas o animales
CRISPR representa una alternativa mucho menos costosa para modificar los genes de un organismo, bien sea plantas o animales, que los métodos tradicionales de transformación genética. En el caso de las plantas, se abre la posibilidad de modificar genes de plantas de menor importancia económica que las que tradicionalmente han sido mejoradas usando transformación genética, como el maíz y la soya. Así, CRISPR ya se ha utilizado para producir naranjas enriquecidas en vitaminas, y en el mejoramiento de animales, CRISPR se ha utilizado para producir ganado sin cachos o cabras resistentes a ciertas enfermedades (Ledford 2015).

Por otra parte, CRISPR genera grandes retos para la legislación que controla los organismos genéticamente modificados −tema ya de por si muy espinoso (Palacios 2014)−. Tradicionalmente los organismos genéticamente modificados se definen como organismos que poseen genes provenientes de otra especie de organismos. Por lo tanto es fácil determinar si un organismo es genéticamente modificado si es posible detectar el gen foráneo. En el caso de utilizar CRISPR para modificar un organismo, aunque el organismo no tendría genes foráneos, si tendría genes modificados con un objetivo especifico. Esto es diferente a que los organismos que hayan sido sometidos a mutagénesis, los cuales si pueden ser comercializados para consumo humano bajo la legislación actual. El utilizar CRISPR en el mejoramiento de organismos implica que ya no sería fácil determinar si un organismo es genéticamente modificado o si simplemente ha sido sometido a mutagénesis. Por esto, al menos en los Estados Unidos, todavía no es claro cómo se regularan los organismos generados con CRISPR (Ledford 2015).

Manejo ambiental
En el caso del manejo ambiental se ha propuesto introducir genes que disminuyan la sobrevivencia de especies que tengan efectos negativos sobre los humanos, como los mosquitos que transmiten la malaria o malezas que invaden los campos de agricultura. Sin embargo las consecuencias de modificar genes en especies silvestres podría tener consecuencias completamente impredecibles. Por ejemplo, es posible que erradicar una especie invasiva en particular promueva la aparición de otra especie invasiva, o que pasaría si se modifican genes diferentes a los pretendidos? (Ledford 2015). Así que es muy importante evaluar cuales podrían ser las consecuencias de utilizar CRISPR en especie silvestres, sobretodo porque CRISPR permite crear un poderoso sistema de propagación de genes modificados conocido como ‘gene drive’, el cual hace que el gen modificado se salte las leyes normales de herencia e invada una población natural muy rápidamente (Akbari et al. 2015), como se ilustra en la figura 2.

     

Figura 2. CRISPR se podría utilizar para propagar secuencias de ADN modificadas en poblaciones naturales de manera muy rápida. Normalmente una secuencia modificada se transmite solo a algunos individuos en cada generación, como se ve la parte superior de la figura. CRISPR permitiría que un ADN modificado se transmitiera a mas individuos de generación en generación, como se ve en la parte inferior, invadiendo poblaciones enteras en pocas generaciones. Basado en Ledford 2015.

Una aplicación de esta tecnología en el manejo ambiental, que está en las primeras etapas de desarrollo, es generar un animal ecológicamente equivalente al mamut, que se espera ayudaría a devolver la tundra a un ecosistema de pradera de estepa. Antes, la tundra estaba cubierta de praderas que aislaban el permafrost de la estepa, y los científicos han acumulado muchos datos que indican que el mamut era una especie indispensable para el mantenimiento de dichas praderas. Tras la extinción del mamut, las praderas desaparecieron, la estepa se convirtió en tundra y el permafrost se está derritiendo. Si el permafrost de la tundra se derritiera totalmente, liberaría 2.5 veces más gases de efecto invernadero que si se quemaran todos los bosques del mundo, y los gases de efecto invernadero son gran parte de la causa del calentamiento global (Lorena 2014). Por esto se busca obtener un animal equivalente al mamut que devuelva las praderas a la tundra, y así proteger el permafrost de la tundra. La idea no es revivir el mamut (lo cual es imposible porque los restos de mamut encontrados tienen el ADN demasiado degradado), sino modificar los elefantes asiáticos con adaptaciones que el mamut tenía, para crear un elefante modificado que pudiera vivir en la estepa. En este sentido CRISPR ha sido fundamental en este proyecto, ya que ha permitido a George Church y su equipo del instituto Wyss de la Universidad de Harvard, introducir genes de mamut a células de elefante en el laboratorio, a partir de las cuales potencialmente podrá surgir un elefante modificado (visite http://longnow.org/revive/projects/woolly-mammoth/ para saber más de este controversial proyecto).

En medicina
En el caso de la medicina, CRISPR tiene muchísimas posibles aplicaciones. Por ejemplo, es una herramienta prometedora para tratar pacientes afectados con el virus del sida. Actualmente existen tratamientos que minimizan la actividad del virus del sida, eliminado así los síntomas de la enfermedad prácticamente. Sin embargo, el virus inserta su material genético dentro del ADN de algunas células de los pacientes, y hasta ahora no hay tratamientos que puedan eliminar estas inserciones, las cuales pueden re-activar el virus, sobre todo en pacientes de mayor edad. Así que CRISPR ha sido utilizado exitosamente para eliminar el material genético del virus en células humanas infectadas con el mismo, pero hasta ahora estos experimentos solo se han llevado a cabo en el laboratorio (Hu et al. 2014).

Además, CRISPR también puede ser aplicado en combinación con otras tecnologías de avanzada, abriendo la posibilidad de modificar el ADN de células germinales −es decir espermatozoides u óvulos− y de embriones. Esta área de aplicación requiere de un profundo análisis ético, particularmente al ser utilizada en humanos, porque estas modificaciones genéticas podrían pasar a las siguientes generaciones, lo cual conllevaría riesgos imposibles de prever. Además, se abre la puerta a utilizar CRISPR para  hacer cambios genéticos no solo para curar enfermedades, sino para obtener características deseables en un nuevo ser humano; una puerta que fácilmente nos puede llevar a prácticas peligrosas y éticamente inaceptables (Cyranoski and Reardon 2015). El pasado mes de Abril, un laboratorio de la Universidad de Guangzhou, de la China, reportó la utilización de CRISPR para modificar genes en embriones humanos (Liang et al. 2015). Aunque los embriones eran inviables, el estudio ha causado un gran alboroto por ser el primer reporte de la aplicación de CRISPR en embriones humanos; tanto, que aún antes de que el estudio fuera publicado, varios de los científicos de Estados Unidos más influyentes en el área, como Jennifer Doudna −una de las descubridoras de CRISPR− y George Church, hicieron un llamado a poner un moratorio para que no se hagan modificaciones al ADN de células germinales humanas en Nature (Baltimore et al. 2015) y Science (Lanphier et al. 2015), posiblemente la dos revistas científicas más influyentes de nuestro tiempo. Sin embargo, investigadores del instituto Francis Crick, el nuevo centro de investigación en biomédica de Londres, pidieron autorización para editar genes en embriones utilizando CRISPR el pasado 18 de Septiembre, con el objetivo de investigar el desarrollo embrionario humano (Cressey et al. 2015).

Entre tanto, mientras se dan los debates éticos, se establece el marco legal que regirá el uso de CRISPR y se define quien se lleva el crédito intelectual, y de paso, el control de las patentes sobre CRISPR −las que están siendo disputadas por Jennifer Doudna y Feng Zhang, investigador del Instituto de Tecnología de Massachusetts y de la Universidad de Harvard (Regalado 2015)− muchos laboratorios alrededor del mundo continúan optimizando la tecnología CRISPR y utilizándola en los proyectos más significativos e impactantes del momento.

Referencias
Akbari, O. S., Hugo J Bellen, Ethan Bier, Simon L Bullock, Austin Burt, George M Church, Kevin R Cook, et al. 2015. “Safeguarding Gene Drive Experiments in the Laboratory.” Science 349 (6251) (August 28): 927–929.

Baltimore, D., Paul Berg, Michael Botchan, Dana Carroll, R Alta Charo, George Church, Jacob E Corn, et al. 2015. “A Prudent Path Forward for Genomic Engineering and Germline Gene Modification.” Science 348 (6230) (April 3): 36–38.

Cyranoski, David, and Sara Reardon. 2015. “Embryo Editing Sparks Epic Debate.” Nature 520 (7549) (April 29): 593–595.

Cressey, D., Abbott, A. and Ledford, H. 2015. “UK scientists apply for licence to edit genes in human embryos”. Nature Publishing Group. Tomado de http://www.nature.com/news/uk-scientists-apply-for-licence-to-edit-genes-in-human-embryos-1.18394 en Septiembre de 2015.

Dance, Amber. 2015. “Core Concept: CRISPR Gene Editing.” Proceedings of the National Academy of Sciences 112 (20): 6245–6246.

Hu, Wenhui, Rafal Kaminski, Fan Yang, Yonggang Zhang, Laura Cosentino, Fang Li, Biao Luo, et al. 2014. “RNA-Directed Gene Editing Specifically Eradicates Latent and Prevents New HIV-1 Infection.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111 (31): 11461–11466.

Lanphier, Edward, Fyodor Urnov, Sarah Ehlen Haecker, Michael Werner, and Joanna Smolenski. 2015. “Don’t Edit the Human Germ Line.” Nature 519 (7544) (March 12): 410–411.

Ledford, Heidi. 2015. “CRISPR, the Disruptor.” Nature 522 (7554) (June 3): 20–24.

Liang, Puping, Yanwen Xu, Xiya Zhang, Chenhui Ding, Rui Huang, Zhen Zhang, Jie Lv, et al. 2015. “CRISPR/Cas9-Mediated Gene Editing in Human Tripronuclear Zygotes.” Protein & Cell 6 (5): 363–372.

Palacios, Juan Diego. 2014. “Reconsiderando la critica a los Organismos Genéticamente Modificados”. http://biogenic-colombia.blogspot.com/2014_04_01_archive.html

Pennisi, Elizabeth. 2013. “The CRISPR Craze.” Science 341 (6148): 833–836.

López-Galvis, Lorena. 2014. “Cambio climático: ¿es verdad que hay un cambio?”. http://biogenic-colombia.blogspot.com/2014/10/cambio-climatico-es-verdad-que-hay-un.html.

Regalado, Antonio. 2015. “El hallazgo biotecnológico del siglo está envuelto en una guerra de patentes”. MIT Technology review. Traducido por Lia Moya. Tomado de http://www.technologyreview.es/biomedicina/46583/el-hallazgo-biotecnologico-del-siglo-esta/ en Septiembre de 2015.

Sander, Jeffry D, and J Keith Joung. 2014. “CRISPR-Cas Systems for Editing, Regulating and Targeting Genomes.” Nature Biotechnology 32 (4): 347–55.

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