Monografías CRISPr: Aplicación en Mosquitos causantes de la Malaria
AUTORES:
Sanchez, Martín
Shaide Chucair
Palabras Clave: Malaria, Mosquito Transgénico, CRISPR-Cas9, Deriva Génica.
Resumen:
En el presente escrito se evalúan, dentro de un marco teórico, cómo se podrían modificar genéticamente los mosquitos portadores del agente causal de la malaria, un protozoario del género Plasmodium, utilizando el método de CRISPR-Cas9 sobre los insectos dentro del laboratorio, su posterior liberación en el medio ambiente, y su efectividad e impacto como posible vía para generar una deriva génica dentro de la población de mosquitos salvajes, considerando además los actuales métodos de control de la malaria, tanto los de origen genéticos como los convencionales.
Malaria o paludismo
La malaria, también conocida como Paludismo, en el ser humano, es una enfermedad parasitaria causada por la infección de una o más de las especies del parásito protozoario intracelular Plasmodium ya sean Plasmodium falciparum, ovale, vivax y/o malariae (Heymann ,2011). Es una enfermedad mortal que es causada por dicho Plasmodium y transmitida por la picadura de mosquitos hembra del género Anopheles, los llamados vectores del paludismo.
Según la OMS: P. falciparum es el parásito causante del paludismo más prevalente en el continente africano. Es responsable de la mayoría de las muertes provocadas por el paludismo en todo el mundo.
En cambio, P. vivax es el parásito causante del paludismo dominante en la mayoría de los países fuera del África subsahariana.
Se calcula que en 2016 hubo 216 millones de casos de paludismo en 91 países, las muertes fueron de 445 mil personas, lo que es una cifra demasiado alta ya que se trata de una enfermedad prevenible y tratable de manera relativamente fácil, sin embargo, muchas de las áreas afectadas son de recursos extremadamente precarios y bajo constante conflicto civil y militar, lo cual dificulta mucho no solo el alcance de ayuda exterior sino cualquier tipo de intervención interna.
La prevención de esta enfermedad se basa fuertemente en la lucha antivectorial para reducir la transmisión del paludismo.
Según la organización mundial de la salud en 2018: “Para el control efectivo del vector, recomienda proteger a toda la población que se encuentra en riesgo de infectarse. Hay dos métodos de lucha contra los vectores que son eficaces en circunstancias muy diversas: los mosquiteros tratados con insecticidas y la fumigación de interiores con insecticidas de acción residual.”
Entre 2015-2017 se realizó la distribución de 624 millones MTI o mosquiteros tratados con insecticida, (principalmente de larga duración), un aumento sustancial con respecto a los 465 millones del 2012-2014.
De todos estos, el 82% o 459 millones, fue entregado en la región de áfrica subsahariana. (OMS, 2018)
La malaria es endémica en más de 100 países, especialmente en América Central y del Sur, República Dominicana, Haití, África, Asia (India, Sureste asiático y Oriente Medio) y Pacífico Sur.
En el presente escrito se evalúan, dentro de un marco teórico, cómo se podrían modificar genéticamente los mosquitos portadores del agente causal de la malaria, un protozoario del género Plasmodium, utilizando el método de CRISPR-Cas9 sobre los insectos dentro del laboratorio, su posterior liberación en el medio ambiente, y su efectividad e impacto como posible vía para generar una deriva génica dentro de la población de mosquitos salvajes, considerando además los actuales métodos de control de la malaria, tanto los de origen genéticos como los convencionales.
Mapa mundial de la malaria
En el 2017 los países endémicos de Malaria invirtieron 3,1 mil millones de dólares para el control y eliminación de la enfermedad, 2,2 mil millones se gastaron en la región de África seguida por 300 millones en el sudeste asiático, en las Américas 200 millones y el este Mediterráneo y Pacífico Occidental 100 millones cada uno, a pesar de esta cantidad de inversión no se llega a alcanzar las metas de la ETM (Estrategia Técnica mundial contra la Malaria), esta tiene como objetivo una reducción del 40 por ciento de incidencia en casos de malaria a nivel mundial.
Para alcanzar las metas de la ETM a 2030 se estima que la financiación anual para la malaria tendrá que aumentar en al menos 6,6 mil millones por año hasta el 2020.
“El conocimiento del ciclo de vida de este parásito indica que el estadio más vulnerable del Plasmodium es el ooquiste encontrado en el intestino medio (de sólo cinco ooquistes por insecto), razón que lo convierte en el primer blanco de ataque empleando mosquitos transgénicos que expresen moléculas efectoras antiespasmódicas”.(Noguez Moreno, et al 2017)
A lo largo de los años los avances en la ciencia y tecnología genética gracias a quienes la desempeñan, ya sean investigadores, científicos o genetistas nos ayudan a comprender y hasta poder solucionar mediante el uso de ingeniería genética problemas relacionados a la salud humana y animal.
Los métodos de biología molecular y de las ciencias genómicas generan conocimientos más precisos de la fusión y expresión genética, lo que es fundamental para el entendimiento de la fisiología molecular de insectos y en la generación de MTs (mosquitos transgénicos) para el control de insectos y las ETV (enfermedades transmitidas por vectores). (Noguez Moreno, et al., 2017)
Historia
Históricamente dentro de las estrategias utilizadas para el control de enfermedades vectoriales con respecto a la manipulación genética, nos podemos encontrar con una amplia variedad de enfoques y diferentes acercamientos a la problemática.
Según Noguez Moreno, et al., 2017 estos pueden dividirse en un Control “Clásico” y el uso de Mosquitos Transgénicos o MTs; Así, el primero se enfoca en generar insectos estériles o bien con reproductibilidad reducida por medio de productos químicos o radiación sobre los huevos y luego que estos sean liberados al medio ambiente natural.
Si bien este método fue el más utilizado después de la segunda guerra mundial por más de 4 décadas, debido al coste de mantenimiento del equipo, de la mano de obra y de la liberación de los insectos, prácticamente ha quedado en desuso.(Noguez Moreno et al., 2017)
Figura 2: historia de intentos de control de malaria.Fuente: Noguez Moreno et al.,2017
Deriva génica y genes letales transmisibles
El uso de MTs por otro lado cobra impulso con cada nuevo avance en el área de la genética; Pueden encontrarse así los Mosquitos Refractarios, es decir, que expresan una cualidad que los hace inmunes a la infección del agente en si, los Mosquitos Transmisores de Genes Letales de Uno o Dos Componentes, que básicamente consiste en introducir un gen que se comporta como letal (produce la muerte del portador) cuando se encuentra en heterocigosis, los Mosquitos con Fenotipo sin Vuelo, donde se les genera una modificación en su capacidad para volar y son eliminados naturalmente por depredadores o bien no pueden alimentarse ni volar, y por último, pero no menos importante la Deriva Génica o Genéticamente Dirigido (GD por Gene Drive en inglés), donde se fuerza la imposición de la presencia de un alelo sobre otro dentro de una población generando por ende la desaparición de este último.(Noguez Moreno, et al., 2017)
Naturalmente la deriva génica es una fuerza evolutiva que ocurre como un cambio en las frecuencias genéticas debido a un resultado de eventos aleatorios de una generación a la otra, puede ser muy efectiva y marcada en poblaciones pequeñas, además podría resultar en la fijación de un alelo, es decir, que este termine siendo el único presente en la población.
Figura 3. El concepto de genética dirigida (del inglés Gene Drive: GD) lo podemos ejemplificar en un caso hipotético de un transgen que bloquea la transmisión de la malaria (pero que no tiene valor selectivo en la población de insectos).
De manera artificial con el fin de modificar poblaciones; la deriva génica se puede usar tanto como para que una nueva población de Mosquitos Refractarios reemplace a otra vieja o para la supresión gradual de una especie al generar deriva génica sexual.
Los métodos más comunes son los Elementos Medea, (elementos alélicos “egoístas” que se imponen sobre su contraparte al generar la muerte de la cría que carece del elemento), el uso de las Bacterias del Género Wolbachia, (el cual se comporta también como elemento génico egoísta y de carácter simbiótico que puede transmitirse por vía materna) y la aplicación de CRISPR-Cas9, tanto sobre un gen como también sobre la frecuencia sexual dentro de una población.
Diferencias entre métodos utilizados Figura 4. Fuente: Noguez Moreno, et al., 2017.
La manipulación de la frecuencia de un gen con CRISPR-Cas9 consiste básicamente en introducir dentro de un gen esencial un segmento exógeno con la información que dotaría de inmunidad al individuo contra el agente, así cualquier intento de eliminar esta sección por parte del sistema natural de reparación del ADN resultaría en la muerte del individuo en lugar de generar una especie de “resistencia”, y si a esto se le suman más segmentos exógenos el proceso de resistencia se vuelve indetectable poblacionalmente.
La manipulación de la frecuencia de un sexo usando CRISPR-Cas9 es una de las estrategias más nuevas, recién introducida en 2016, y consiste en que Cas9 ataque un gen alosómico que reside en uno de los cromosomas sexuales con una incidencia en el nacimiento de machos de casi un 90%, y debido a que estos no son hematofagos, cualquier transmisión de vía salivaria quedaría incapacitada, además esto facilita la deriva génica ya que solo los machos la producen y no las hembras.
Figura 5.Genética dirigida (GD) utilizando el sistema CAS9-ARN guía.
Genética dirigida (GD) utilizando el sistema CAS9-ARN guía. Las ventajas incrementan introduciendo varias unidades de ARN guía, lo que aumenta la frecuencia de corte y dificulta la evolución de alelos resistentes a GD a niveles indetectables. Al elegir sitios diana dentro de un gen esencial, debe ser modificados para hacer un alelo resistente e incluirlo en la construcción para unirlos a la construcción genética que lleva el sistema CAS9-ARN guía, y tanto al gen marcador, como al gen refractario (por ejemplo). Cualquier acontecimiento que elimine los sitios blanco del sistema CAS9-ARN, producirán letalidad en lugar de crear una unidad de alelo resistente, lo que aumenta aún más la robustez de la construcción genética GD y favoreciendo la sustitución poblacional de insectos. Fuente: Noguez Moreno, et al., 2017 La tecnología CRISPR/Cas9 es una herramienta molecular utilizada para “editar” o “corregir” el genoma de cualquier célula.
Sería algo así como unas tijeras moleculares que son capaces de cortar cualquier molécula de ADN haciéndolo de una manera muy precisa y controlada.
La capacidad de cortar el ADN es lo que permite modificar su secuencia, eliminando o insertando nuevo ADN, se basa en un sistema natural de defensa bacteriano contra los virus bacteriófagos.
Estos virus infectan bacterias al inyectarle su material genético, luego este se aprovecha de la maquinaria interna para fabricar otras réplicas de sí mismo, generalmente mata a la bacteria en el proceso.
Si la bacteria sobrevive puede utilizar fragmentos del ADN vírico para incluirlo dentro de su propio material genético y así contar con una “copia de seguridad” que permite identificar rápidamente una posterior invasión de ese mismo material. (Ann Ran, et al., 2013)
Figura 6. Ilustración de cómo ingresa originalmente el material genico viral dentro de la bacteria, y los pasos subsecuentes para registrarlo y utilizarlo como propio dentro del sistema defensivo CRISPR. Fuente:Gantz, 2015.
El ADN tomado del virus son segmentos de bases repetidas múltiples veces y a su vez estos fragmentos también se repiten dentro del propio ADN, no suelen ser muy largos y están condensados, por esto se llaman repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente espaciadas o Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats o CRISPR en inglés. (Ann Ran et al, 2013)
“Cuando un virus entra dentro de la bacteria toma el control de la maquinaria celular y para eso interacciona con distintos componentes celulares.
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, al ocurrir esto el material genético viral es inactivado y posteriormente degradado. Pero este 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”. (ver Figura 6) (Moran, 2015)
Esto puede aplicarse al ADN de eucariotas, con un CRISPR-Cas9 sintético y en un laboratorio, conociendo la secuencia que se desea cambiar, se puede generar un ARN complementario a dicha secuencia y agregarla al CRISPR-Cas9, el cual termina cortando esta sección. Luego pueden ocurrir dos posibles resultados derivados de las dos grandes vías existentes para la reparación del ADN, y estos son la vía de unión de extremos no homólogos, cuya sigla en inglés es NHEJ, que presenta tendencia a errores y la vía de reparación dirigida por homología cuya sigla en inglés es HDR y es la que presenta una mayor fidelidad, así que puede optarse por una u otra dependiendo del resultado que se busque con respecto a la modificación de ese gen.
Figura 7. La edición de genomas a través de ARN guía-CAS9. La nucleasa Cas9 y la guía de ARN, debe ser primero introducida en la célula diana. Esto se logra mediante introducción por ingeniería genética. El ARN guía dirige a Cas9 para unir secuencias de ADN diana.
La activación de la vía NHEJ ocurre cuando no hay presencia de un molde reparador, así las DSB (Double Strand DNA Break) son unidas dejando “cicatrices” en forma de deleciones o adiciones, es decir, mutaciones. De esta manera se usa la vía NHEJ para producir “knockout” génico sobre secciones indeseables del ADN, al exponer codones de stop de manera prematura.
La activación de la vía HDR, si bien es mucho más precisa, ocurre a frecuencias mucho más variables que NHEJ, y suele activarse naturalmente en células que se están dividiendo, además su eficiencia puede variar dependiendo del tipo de célula y su estado de división, así como del lugar y amplitud del segmento modificado de ADN.
La vía HDR produce modificaciones muy puntuales y definidas sobre un locus frente a un molde reparador introducido exógenamente, el cual puede ser la clásica doble hebra de ADN complementario y antiparalelo o una sola hebra de ADN, este último método puede ser útil para introducir mutaciones de segmentos extremadamente pequeños (tan chicos como un solo nucleótido) dentro del genoma, de manera simple y rápida.(Ann Ran, et al., 2013)
Quizás la propiedad más importante es que CRISPR-Cas9 puede no solo cortar, sino que (por medio de modificaciones artificiales dentro del laboratorio) introducir una nueva secuencia de ADN y por lo tanto, nuevos genes dentro de la cadena, permitiendo un gran abanico de alteraciones sobre prácticamente cualquier organismo.
En este caso se planteará el uso teórico de CRISPR-Cas9 tipo 2, el cual utiliza crARN (CRISPR ARN asociado), que actúa como guía codificante para ARN, y otro segmento de crARN de trans-activación o trancrARN, el cual facilita el proceso.
Cada uno de estos crARN está compuesto de una secuencia de 20 nucleótidos guia.(Ann Ran, et al, 2013).
Un estudio realizado por Gantz, et al., en 2015 estudia o analiza la modificación de Anopheles stephensi por medio de CRISPR-Cas9 y la producción de MTs, al alterar genéticamente uno de los cromosomas de los machos, luego copiaron el segmento de 17.000 pares de bases al cromosoma homólogo utilizando la vía de reparación HDR de una manera exacta y en un sitio específico del ADN, de esta manera y junto a la deriva génica producida en la naturaleza, se logró una incidencia del 99,5% aproximadamente de la frecuencia del gen sobre la descendencia de la cruza entre los machos transgénicos y las hembras salvajes.
En contraste con esto, se encontró que la modificación sólo en las hembras no conlleva al mismo éxito, debido a que los cromosomas no son reparados por la vía HDR, más exacta, sino por NHEJ; Así es como se producen muchas mutaciones en el proceso y por lo tanto, se termina dando una herencia de tipo pseudo mendeliana de los genes modificados, y no tiene el mismo éxito, de esta manera se estima que se podría lograr la erradicación de la enfermedad en unas 10 generaciones de mosquitos, es decir, en un periodo de aproximadamente 1 año.
Este modelo que es completamente teórico está basado en el uso exclusivo de mosquitos machos transgénicos liberados al medio ambiente ya que ellos son quienes tienen la posibilidad de generar una deriva génica, aunque hay un cierto aporte por parte de la descendencia de las subsecuentes hembras modificadas hijas de los machos liberados.
Conclusiones y Comentarios Finales:
CRISPR-Cas9 es una poderosísima herramienta para poder moldear al mundo y los animales que lo habitan, pero tiene como limitación que es demasiado nueva y no ha sido testeada en el campo lo suficiente, de esta manera no termina habiendo una respuesta definitiva de si será o no la salvación a todas las ETV y otras enfermedades relacionadas, aun así el futuro necesitará cada vez más nuevas y mejores estrategias para combatirlas, y más si se considera que el presupuesto de la OMS con la ETM debe duplicarse de 3 mil millones actuales a 6 mil millones en menos de un año si se quiere seguir con el plan estimado, es decir, reducir el paludismo en un 40% para el 2030. Tal vez la deriva génica dada por los mosquitos transgénicos no sea la respuesta, pero todavía es demasiado pronto para decirlo, ya que si bien es fácil quitar una proteína o lípido que es aprovechado por un virus o un parásito, esto es biología, pero nada cumple solo una función ni es simplemente tan fácil, debido a que esa proteína podría cumplir muchas otras funciones importantes en otro lado, así que habrá que considerar los pros y contras, ¿cuáles podrían ser las futuras repercusiones ambientales?, ¿es factible económicamente hablando?, y tal vez más importante, ¿cuánto pesan estos argumentos frente al medio millón de personas que mueren al año?.
Bibliografía
Ann Ran, F., & Scott, D. (2013). Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system [Ebook].
Gantz, V. (2015). Highly efficient Cas9-mediated gene drive for population modification of the malaria vector mosquito Anopheles stephensi [Ebook]. California.
Heymann, D. (2013). El control de las enfermedades transmisibles [Ebook] (19th ed., pp. 485-508). Washington DC.
Moran, A. (2015). ¿Qué es la tecnología CRISPR/Cas9 y cómo nos cambiará la vida? [Ebook].
Noguez Moreno, R. (2017). Nuevas estrategias de control vectorial:mosquitos transgénicos[Ebook]. México.