Genética dirigida

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La genética dirigida es la práctica de "estimular una herencia predispuesta o sesgada de genes particulares para alterar poblaciones enteras."[1]​ Las alteraciones posibles incluyen añadir, interrumpir, o modificar genes, incluyendo aquellos que reducen la capacidad reproductiva y puede causar un quiebre de población.[2][3]​Notablemente, la genética dirigida funciona sólo en especies que se reproducen sexualmente, así que no se pueden utilizar para desarrollar poblaciones de virus o bacterias. Algunos alelos han evolucionado mecanismos moleculares que les confiere una posibilidad de transmisión más grande que el normal de 50%, lo que les confiere propiedades de genética dirigida. Módulos genéticos sintéticos con propiedades similares han sido desarrollados como potentes técnicas para la edición del genoma de poblaciones de laboratorio. También ha sido propuesto como técnica para cambiar las poblaciones salvajes, por ejemplo en el caso para combatir insectos que transmiten enfermedades (en particular mosquitos en los casos de malaria, dengue y zika), para controlar especies invasoras, o para eliminar la resistencia a los herbicidas o pesticidas.[1][2][4]​ Varios mecanismos moleculares pueden mediar la genética dirigida.[5]​ Este apunte se enfoca en la genética dirigida basada en la endonucleasa, la más versátil y activamente desarrollada sistema interno molecular para la genética dirigida. Se nota que el término genética se refiere a ambos el principio de predisponer una herencia de alelo y a los elementos genéticos que presentan una herencia predispuesta (ej. una pieza de ADN).

Porque es una manera a artificialmente sesgar o predisponer una herencia de genes, la genética dirigida constituye un cambio importante en la biotecnología. El impacto potencialmente enorme de liberar la genética dirigida en la naturaleza levanta importantes preocupaciones bioéticas con respecto a su desarrollo y administración.

Mecanismo[editar]

En especies que se reproducen sexualmente, la mayoría de los genes están presentes en dos copias (que pueden ser alelos diferentes o no), cada cual tiene 50% de posibilidad de ser heredado. Para que un alelo se extienda a través de una población grande, se requiere que aumente la forma física de cada individuo. Algunos alelos han evolucionado mecanismos moleculares que les confiere una posibilidad de transmisión más grande que el normal de 50%. Esto les permite extenderse a través de una población incluso si se reduce la forma física de cada organismo individual. De este modo predisponiendo la herencia de genes alterados particulares, genética dirigida sintética podrían ser usado para propagar alteraciones a través de poblaciones salvajes.[2][3]

Mecanismos moleculares[editar]

Molecular mechanism of gene drive.
Mecanismo molecular de la genética dirigida.

En el nivel molecular, el gen de la endonucleasa trabaja cortando cromosomas que no codifican la dirección en un sitio concreto, induciendo a la célula a reparar el daño copiando la secuencia dirigida en el cromosoma averiado. Esto es derivado de técnicas de edición de genoma y que similarmente se basa en el hecho de que las roturas de doble cadena son más frecuentemente reparados por recombinación homóloga si una plantilla esta presente, y menos a menudo por recombinación no homóloga. La célula entonces tiene dos copias de la secuencia dirigida. Para conseguir este comportamiento, la genética dirigida de endonucleasa consisten en dos elementos anidados:

  • O un buscador de objetivos de endonucleasa o un ARN-guiado de endonucleasa (por ej. Cas9 o Cpf1) y su ARN guía, que corta la secuencia objetivo en células recipientes
  • Una secuencia de plantilla utilizada por la maquinaria de reparación del ADN después de la secuencia de objetivo está cortada. Para conseguir el self propagando naturaleza de paseos de gen, esta plantilla de reparación contiene al menos el endonuclease secuencia. Porque la plantilla tiene que soler reparar una rotura de hebra doble en el sitio tajante, sus lados son homólogos a las secuencias que es adyacente al sitio tajante en el genoma anfitrión. Por apuntar el paseo de gen a una secuencia de codificación del gen, este gen será inactivated; las secuencias adicionales pueden ser introducidas en el paseo de gen para codificar funciones nuevas.

Como resultado, la inserción de paseo del gen en el genoma re-ocurrir en cada organismo que hereda uno copia de la modificación y uno copian del gen de tipo salvaje. Si el paseo de gen es ya presente en la célula de huevo (p. ej. cuándo recibido de un padre), todos los gametos del @individual llevarán el paseo de gen (en vez de 50% en el caso de un gen normal).

Difusión en la población[editar]

Dado que nunca puede más del doble de frecuencia con cada generación, un impulso génico introducido en un solo individuo requiere típicamente docenas de generaciones para afectar a una fracción sustancial de una población. Alternativamente, la liberación en un número suficiente de organismos que contienen unidades puede afectar al resto en pocas generaciones; Por ejemplo, introduciéndolo en cada milésimo individuo, toma solamente 12-15 generaciones para estar presente en todos los individuos.[6]​ Si una unidad genética se fija en última instancia en una población y en qué velocidad depende de su efecto en la aptitud de los individuos, en la tasa de conversión de alelos y en la estructura de la población. En una población bien mezclada y con frecuencias de conversión de alelos realistas (≈90%), la genética de la población predice que los impulsos genéticos se fijan para el coeficiente de selección menor de 0,3; en otras palabras, la genética dirigida puede ser utilizada no sólo para difundir modificaciones genéticas benéficas, pero también perjudiciales, ya que el éxito reproductivo no se reduce en más del 30%.[6]​ Este es un gran contraste con los genes normales, que sólo pueden propagarse en grandes poblaciones si son beneficiosas.

Aplicaciones y limitaciones técnicas[editar]

Aplicaciones[editar]

La genética dirigida tienen dos clases principales de aplicaciones, el cual, a pesar de que está basado en la misma tecnología, tiene implicaciones de importancia diferente:

  • Introducir una modificación genética en poblaciones de laboratorio; una vez una cepa o una línea que lleva la genética dirigida ha sido producida, la dirección puede ser pasada a cualquier otra línea sencillamente mediante el apareo. Aquí la genética dirigida es usada para conseguir mucho más fácilmente una tarea que es factible con otras técnicas. Requiere confinamiento reforzado de las poblaciones de laboratorio para impedir una liberación accidental del paseo de gen al salvaje.
  • Introducir una modificación genética en poblaciones salvajes. En contraste con el anterior, paseos de gen aquí constituyen un desarrollo importante y abrir la puerta a cambios anteriormente inalcanzables. Esto levanta importantes asuntos éticos.

Debido al potencial sin precedentes de la genética dirigida, mecanismos salvaguardas han sido propuestos y probados.[7]

Limitaciones técnicas[editar]

Porque la genética dirigida se propaga reemplazando otros alelos que contiene un sitio de corte y las homologías correspondientes, su aplicación está limitada a especies que se reproducen sexualmente (porque son diploides y los alelos se mezclan en cada generación). Como efecto secundario, la endogamia en principio podría ser seleccionada como un mecanismo de escape, pero la extensión de que esto puede pasar en la práctica es difícil de evaluar.[8]

Debido al número de generaciones requirida para que una genética dirigida se extendienda en una población entera, tal vez pueda requerir menos de un año para algunos invertebrados, pero siglos para organismos con intervalos de años-entre el nacimiento y la madurez sexual, como los humanos.[9]​ Por ello esta tecnología es más practica en especies que se reproducen rápidamente.

Cuestiones[editar]

Cuestiones que los investigadores han destacado incluyen:[10]

  • Mutaciones— es posible que una mutación podría pasar en el medio del camino, lo cual tiene el potencial de dejar rasgos indeseados que "persistan a continuación" a medida que se extiende la genética dirigida.
  • Escape—El cruzamiento de razas o el flujo del gen puede potencialmente dejar que una genética dirigida se vaya más allá su población de objetivo.
  • Impactos ecológicos—Incluso cuándo los impactos directos de los nuevos rasgos en un objetivo son entendidos, la genética dirigida puede tener efectos secundarios en el entorno.

Hay preocupaciones bioéticas también, ya que la genética dirigida es una herramienta muy potente.[11]

En diciembre de 2015, los científicos de importantes academias mundiales pidieron una moratoria en ediciones heredables del genoma humano que serían transmitido en embarazos, incluyendo aquellos relacionados a las tecnologías CRISPR-Cas9. Pero apoyaban la continuada investigación básica y la edición genética que no afectaría generaciones futuras.[12][13]

En febrero de 2016, científicos británicos recibieron permiso por parte de los reguladores para modificar genéticamente embriones humanos utilizando CRISPR-Cas9 y técnicas relacionadas bajo la condición de que los embriones sean destruidos en siete días.[14][15]

Historia[editar]

Austin Burt, un geneticista evolutivo en el Colegio Imperial de Londres, primeramente esbozo la posibilidad de construir la genética dirigida basado en genes naturales "egoístas" de endonucleasa buscadora de objetivos en 2003.[3]​ Los investigadores ya habían demostrado que estos “genes” egoístas podrían extenderse rápidamente a través de generaciones sucesivas. Burt sugirió que la genética dirigida podrían ser utilizada para impedir que una población de mosquito pueda transmitir el parásito de la malaria o provocar un quiebre en la población de mosquitos. Genética dirigida basaron en homing endonucleases ha sido demostrado en el laboratorio en poblaciones #transgénico de mosquitoes y moscas de fruta.[16][17][18]​ Aun así, homing endonucleases es secuencia-concreto. Desde entonces alterando su especificidad para apuntar otras secuencias de interés queda un reto importante, las aplicaciones posibles de paseo de gen quedaron limitadas hasta el descubrimiento de CRISPR y el ARN asociado-guiado endonucleases como Cas9 y Cpf1.[5]​tigadores ya habían mostrado que estos “genes” egoístas podrían extender rápidamente a través de generaciones sucesivas. Burt Sugirió que paseos de gen podrían soler impedir una población de mosquito de transmitir el parásito de malaria o chocar una población de mosquito. Paseos de gen basaron en homing endonucleases ha sido demostrado en el laboratorio en poblaciones #transgénico de mosquitoes y moscas de fruta.[16][17][18]​ Aun así, homing endonucleases es secuencia-concreto. Desde entonces alterando su especificidad para apuntar otras secuencias de interés queda un reto importante, las aplicaciones posibles de paseo de gen quedaron limitadas hasta el descubrimiento de CRISPR y el ARN asociado-guiado endonucleases como Cas9 y Cpf1.[5]

CRISPR/Cas9[editar]

CRISPR/Cas9 es un método de corte de ADN que ha hecho a la ingeniería genética más rápida, más fácil y más eficiente desde 2013.[19][20]​ La aproximación implica expresar la endonucleasa Cas9 guiada por ARN junto con los ARN guía que lo dirigen a una secuencia particular a editar. Cuando Cas9 corta la secuencia diana, la célula a menudo repara el daño reemplazando la secuencia original con ADN homólogo. Mediante la introducción de una plantilla adicional con homologías apropiadas, Cas9 se puede utilizar para eliminar, añadir o modificar genes de una manera sin precedentes simple. A partir de 2014, había sido probado con éxito en células de 20 especies, incluyendo seres humanos.[2]​ En muchas de estas especies, las modificaciones modificaron su línea germinal, permitiéndoles heredarlas.

Esvelt y sus compañeros de trabajo sugirieron por primera vez en 2014 que CRISPR / Cas9 podría ser utilizado para construir gen endonucleasa impulsos.[2]​ En 2015, los investigadores publicaron la ingeniería exitosa de unidades de genes basadas en CRISPR en Saccharomyces,[7]Drosophila[21]​ y mosquitoes..[22][23]​ Los cuatro estudios demostraron una distorsión de herencia extremadamente eficiente durante generaciones sucesivas, con un estudio que demuestra la propagación de una unidad genética en poblaciones de laboratorio ingenuas.[23]​ Se espera que aparezcan alelos resistentes a la unidad para cada uno de los impulsos génicos descritos, sin embargo esto puede ser retrasado o impedido dirigiéndose a sitios altamente conservados en los que se espera que la resistencia tenga un coste de aptitud severo.

Debido a la flexibilidad de direccionamiento de CRISPR/Cas9, los impulsos génicos derivados podrían ser utilizados teóricamente para diseñar casi cualquier rasgo. A diferencia de los diseños anteriores, podrían ser adaptados para bloquear la evolución de la resistencia de la unidad en la población objetivo mediante la orientación múltiples secuencias dentro de los genes apropiados. CRISPR/Cas9 también podría permitir una variedad de arquitecturas de impulsión genética destinadas a controlar en lugar de las poblaciones de choque. Es evidente que los impulsos de genes guiados por ARN podría ser diseñado con otra endonucleasa guiada por ARN, como CRISPR/Cpf1.

Aplicaciones a poblaciones silvestres[editar]

Una aplicación posible es modificar genéticamente los mosquitos y otros vectores de enfermedad para que no puedan transmitir enfermedades como la malaria, zika y el dengue. En junio de 2014, la Organización Mundial de la Salud (OMS) para el Programa Especial para Búsqueda y Entrenamiento en Enfermedades Tropicales emitieron directrices para evaluar mosquitos genéticamente modificados.[24][25]​ En 2013 la Autoridad de Europea de Seguridad Alimentaria emitió un protocolo para valoraciones medioambientales de todos los organismos genéticamente modificados .[26]​ Los investigadores creen que la aplicación de la nueva técnica a sólo el 1% de la población silvestre de mosquitos puede erradicar la malaria en un año.[27]

Ver también[editar]

Referencias[editar]

  1. a b «U.S. researchers call for greater oversight of powerful genetic technology | Science/AAAS | News». News.sciencemag.org. Consultado el 18 de julio de 2014. 
  2. a b c d e Esvelt, Kevin M; Smidler, Andrea L; Catteruccia, Flaminia; Church, George M (July 2014). «Concerning RNA-guided gene drives for the alteration of wild populations». eLife 3: e03401. PMID 25035423. doi:10.7554/eLife.03401. 
  3. a b c Burt, A. (2003). «Site-specific selfish genes as tools for the control and genetic engineering of natural populations». Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 270 (1518): 921-928. doi:10.1098/rspb.2002.2319. 
  4. Benedict, M.; D'Abbs, P.; Dobson, S.; Gottlieb, M.; Harrington, L.; Higgs, S.; James, A.; James, S.; Knols, B.; Lavery, J.; O'Neill, S.; Scott, T.; Takken, W.; Toure., Y. (April 2008). «Vector-Borne and Zoonotic Diseases». Vector-Borne and Zoonotic Diseases 8 (2): 127-166. PMID 18452399. doi:10.1089/vbz.2007.0273. 
  5. a b c Champer, Jackson; Buchman, Anna; Akbari, Omar S. «Cheating evolution: engineering gene drives to manipulate the fate of wild populations». Nature Reviews Genetics 17 (3): 146-159. doi:10.1038/nrg.2015.34. 
  6. a b Unckless, Robert L.; Messer, Philipp W.; Connallon, Tim; Clark, Andrew G. (1 de octubre de 2015). «Modeling the Manipulation of Natural Populations by the Mutagenic Chain Reaction». Genetics (en inglés) 201 (2): 425-431. ISSN 0016-6731. PMC 4596658. PMID 26232409. doi:10.1534/genetics.115.177592. 
  7. a b Dicarlo, J. E.; Chavez, A.; Dietz, S. L.; Esvelt, K. M.; Church, G. M. (2015). RNA-guided gene drives can efficiently and reversibly bias inheritance in wild yeast. doi:10.1101/013896. 
  8. Bull, James J. (2 de abril de 2016). «Lethal Gene Drive Selects Escape through Inbreeding». bioRxiv (en inglés): 046847. doi:10.1101/046847. 
  9. Oye, Kenneth A.; Esvelt, Kevin; Appleton, Evan; Catteruccia, Flaminia; Church, George; Kuiken, Todd; Lightfoot, Shlomiya Bar-Yam; McNamara, Julie et al. (8 de agosto de 2014). «Regulating gene drives». Science (en inglés) 345 (6197): 626-628. ISSN 0036-8075. PMID 25035410. doi:10.1126/science.1254287. 
  10. Drinkwater, Kelly; Kuiken, Todd; Lightfoot, Shlomiya; McNamara, Julie; Oye, Kenneth. «CREATING A RESEARCH AGENDA FOR THE ECOLOGICAL IMPLICATIONS OF SYNTHETIC BIOLOGY». The Wilson Center and the Massachusetts Institute of Technology Program on Emerging Technologies. 
  11. «Genetically Engineering Almost Anything». PBS. 17 Jul 2014. 
  12. Wade, Nicholas (3 de diciembre de 2015). «Scientists Place Moratorium on Edits to Human Genome That Could Be Inherited». New York Times. Consultado el 3 de diciembre de 2015. 
  13. Huffaker, Sandy (9 de diciembre de 2015). «Geneticists vote to allow gene editing of human embryos». New Scientist. Consultado el 18 de marzo de 2016. 
  14. Gallagher, James (1 de febrero de 2016). «Scientists get 'gene editing' go-ahead». BBC News (BBC). Consultado el 1 de febrero de 2016. 
  15. Cheng, Maria (1 de febrero de 2016). «Britain approves controversial gene-editing technique». AP News. Consultado el 1 de febrero de 2016. 
  16. a b Windbichler, N.; Menichelli, M.; Papathanos, P. A.; Thyme, S. B.; Li, H.; Ulge, U. Y.; Hovde, B. T.; Baker, D.; Monnat Jr, R. J.; Burt, A.; Crisanti, A. (2011). «A synthetic homing endonuclease-based gene drive system in the human malaria mosquito». Nature 473 (7346): 212-215. PMC 3093433. PMID 21508956. doi:10.1038/nature09937. 
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  20. Pollack, Andrew (11 de mayo de 2015). «Jennifer Doudna, a Pioneer Who Helped Simplify Genome Editing». New York Times. Consultado el 12 de mayo de 2015. 
  21. Gantz, V. M.; Bier, E. (2015). «The mutagenic chain reaction: A method for converting heterozygous to homozygous mutations». Science 348: 442-444. doi:10.1126/science.aaa5945. 
  22. Gantz, Valentino M.; Jasinskiene, Nijole; Tatarenkova, Olga; Fazekas, Aniko; Macias, Vanessa M.; Bier, Ethan; James, Anthony A. (8 de diciembre de 2015). «Highly efficient Cas9-mediated gene drive for population modification of the malaria vector mosquito Anopheles stephensi». Proceedings of the National Academy of Sciences 112 (49): E6736-E6743. ISSN 0027-8424. PMID 26598698. doi:10.1073/pnas.1521077112. 
  23. a b Hammond, Andrew; Galizi, Roberto; Kyrou, Kyros; Simoni, Alekos; Siniscalchi, Carla; Katsanos, Dimitris; Gribble, Matthew; Baker, Dean et al. (7 de diciembre de 2015). «A CRISPR-Cas9 gene drive system targeting female reproduction in the malaria mosquito vector Anopheles gambiae». Nature Biotechnology. advance online publication. ISSN 1546-1696. doi:10.1038/nbt.3439. 
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  26. «EFSA - Guidance of the GMO Panel: Guidance Document on the ERA of GM animals». Efsa.europa.eu. doi:10.2903/j.efsa.2013.3200. Consultado el 18 de julio de 2014. 
  27. https://www.youtube.com/watch?v=OI_OhvOumT0 Gene editing can now change an entire species -- forever | Jennifer Kahn

Enlaces externos[editar]