Historia de un descubrimiento Nobel. Parte II - CRISPR, ¿cómo funciona? (en procariotas)

[@piratingscience7333]

CONTENIDO DEL VÍDEO: En el vídeo anterior repasamos la historia de unas misteriosas secuencias repetitivas y palindrómicas que fueron denominadas CRISPR, pero ¿qué representan esas siglas… “Cas” que aparecen junto a CRISPR en el premio Nobel de 2020? No hizo falta mucho tiempo desde el descubrimiento de las secuencias CRISPR, cuando en 2002 se describieron unos genes asociados a estas repeticiones de ADN a los que llamaron Cas, o genes asociados a CRISPR (CRISPR-associated genes). Estos genes se encontraban cerca de las secuencias CRISPR, sólo se encontraban en genomas con secuencias CRISPR y algunos de los primeramente descritos codificaban para proteínas involucradas en el metabolismo del ADN o la expresión génica (1). Recapitulemos, tenemos unas secuencias repetitivas y espaciadas denominadas CRISPR, que tienen asociadas unos genes involucrados en modificar el ADN llamados Cas, pero ¿qué función tienen? Mojica dio con una respuesta en 2003, pero dado que algunas las más prestigiosas revistas científicas se mostraron recelosas a publicar este estudio (2), sus hallazgos no fueron difundidos hasta 2005 (3). Mojica se centró, no en las secuencias repetitivas, sino en los espaciadores que había entre ellas y observó que las secuencias codificadas en los espaciadores no pertenecían a las bacterias o arqueas estudiadas, sino a entre otros elementos externos, como bacteriófagos. Pequeño inciso, un bacteriófago es un virus que infecta a procariotas (bacterias y arqueas). Podemos imaginarlo como una nave espacial hecha de proteínas y tripulada por un ácido nucleico, que puede ser ADN o ARN, cuando esta nave aterriza en la membrana de una bacteria o arquea inyecta el material genético y este se replica, usando las herramientas de la célula infectada para producir más bacteriófagos. Además, las bacterias que presentaban en sus espaciadores secuencias de un determinado bacteriófago eran resistentes a ser infectadas por este, sugiriendo que las secuencias CRISPR proporcionan una inmunidad específica contra ADN foráneo (3). Paralelamente, otros dos grupos publicaron descubrimientos similares (4,5). Resumiendo, en 2005 varios autores observaron que los espaciadores en las secuencias de CRISPR correspondían a trozos de ADN de posibles infecciones que la bacteria o arquea habían padecido y el tener esas secuencias en su genoma, a mi me gusta imaginármelos como trofeos de guerra, dotaba a estas de protección contra futuras reinfecciones, actuando como un sistema inmune específico contra elementos ajenos. Pero ¿cómo funciona? La respuesta a esta pregunta empezó a esbozarse en 2007, cuando experimentalmente se demostró la hipótesis de Mojica. Barrangou y asociados demostraron que las secuencias espaciadoras eran necesarias para dotar de resistencia contra bacteriófagos específicos a procariotas. Básicamente removieron los espaciadores de una bacteria con resistencia a un determinado bacteriófago y vieron que estas bacterias se volvían vulnerables a la infección, mientras que, si añadían dichos espaciadores en una bacteria susceptible a la infección, esta se volvía resistente al bacteriófago. Pero dieron con algo impredecible, estos espaciadores, por si solos eran incapaces de conferir resistencia, necesitaban de los elementos Cas, recordáis… los genes asociados a las secuencias CRISPR. Se vio que uno de ellos, denominando Cas5, que luego se conocerá como la famosa Cas9, era indispensable para la defensa contra ADN foráneo y tenía rol de nucleasa o, dicho de otra forma, una enzima que corta los ácidos nucleicos (6). Otra pieza del puzle apareció en 2008, cuando se vio que la secuencias CRISPR, eran transcritas y procesadas para formar ARN CRISPR (crRNAs) (7) y éste pequeño ARN se unía por complementariedad a los ADN foráneos (8). Más tarde se observó que el rol de esos crARN era guiar a la proteína Cas9 para cortar el ADN exógeno en un punto determinado (9). Pero aún faltaba un elemento que era indispensable para que la maquinaria funcionara y este era el ARN trans-activador (tracrRNA). Los grupos de Charpentier y Vogel describirían que este nuevo ARN es indispensable para la maduración de los ARN CRISPR (crRNAs) (10). Más tarde se vería de la mano de los grupos de Charpentier y Doudna, que no solo ayuda durante la maduración del ARN CRISPR sino que, el ARN trans-activador junto al ARN CRISPR forman una estructura que guían a las proteína Cas9 hacía el ADN foráneo para que esta endonucleasa pueda cortarlo (11). Bien…(inspirar, expirar)…ahora que tenemos todos los componentes, vamos a tomarnos estos últimos segundos para resumir en que consiste el proceso de CRISPR/Cas9. Cuando una bacteria es infectada por un bacteriófago a la que es resistente el locus CRISPR se pone a funcionar: A) se transcriben las secuencias CRISPR, formadas por las repeticiones palindrómicas y los espaciadores produciendo los CRISPR-ARN; B) se transcribe el ARN trans-activador y C) se transcribe y traduce la endonucleasa Cas9. El ARN trans-activador se une a las repeticiones palindrómicas del CRISPR-ARN para formar una estructura que es procesada por distintas moléculas. Como hemos visto las secuencias espaciadoras son complementarias al ADN del bacteriófago invasor de modo que se unirá a él y, el complejo CRISPR-ARN-trans-activador servirá como marca para ser reconocido por Cas9, que cortará el ADN foráneo, destruyéndolo. En este vídeo hemos cubierto el sistema de CRISPR/Cas tipo 2 (hay más tipos, pero sinó el vídeo me queda muy largo). Los conocimientos hablados aquí asientan la base para contestar a la siguiente pregunta: ¿Cómo pasamos de este sistema inmune de procariotas a poder generar mutaciones en cualquier genoma procariota o eucariota de una manera rápida y eficiente? Pero para este enigma, deberéis esperar al siguiente vídeo.