CRISPR en embriones humanos para investigar el papel de los genes durante el desarrollo

Amparo Tolosa, Genética Médica News

 

CRISPR en embriones humanos

Óvulo fecundado, antes de la primera división. Imagen: Stan Beyler, Ph.D. UNC A.R.T. laboratory.

Por primera vez un estudio ha utilizado la edición del genoma en embriones humanos con el objetivo  de evaluar la función de un gen concreto y no para corregir una mutación responsable de una enfermedad.

Los primeros pasos del desarrollo embrionario se caracterizan por la activación de genes concretos en momentos específicos. Estudios en diferentes modelos animales han permitido definir qué elementos genéticos intervienen en muchas de estas etapas en mamíferos. No obstante,  se desconoce si estos resultados son completamente extrapolables a humanos. Por una parte, la expresión génica varía entre las especies, lo que lleva a que los resultados obtenidos, por ejemplo,  en ratón, no siempre se reproduzcan en humanos. Por otra,  el mejor método para determinar el efecto de un gen, es observar qué ocurre cuando no está presente, y este tipo de estudios supone numerosas limitaciones técnicas y éticas en el caso de los embriones humanos.

En los últimos años, la tecnología CRISPR de edición del genoma se ha presentado como una herramienta de gran versatilidad para introducir mutaciones en el genoma de forma dirigida, a la carta. El sistema CRISPR cuenta con dos elementos, una enzima de origen bacteriano Cas9, con la capacidad de cortar el ADN y un ARN guía que posiciona a la enzima hacia la secuencia que el investigador desea modificar. Tras el corte en la doble cadena de ADN, los propios mecanismos de reparación del ADN de la célula se encargan de corregir el error. Sin embargo, en ocasiones la reparación no es la adecuada y se produce una pequeña pérdida o inserción de nucleótidos en el ADN. En definitiva, se introduce una mutación en la posición del ADN deseada.

Teniendo en cuenta el potencial de CRISPR, los investigadores decidieron evaluar si se podía utilizar este sistema de edición genómica  para estudiar la función de los genes en embriones humanos.

El gen elegido para poner a punto la prueba de concepto fue POU5F1, que codifica para el regulador del desarrollo OCT4. Antes del estudio se pensaba que POU5F1 se expresaba por primera vez cuando se produce la activación del genoma del embrión, en la etapa en la que el zigoto ya se ha dividido varias veces y el embrión consta de cuatro células. Su expresión temprana y los resultados en otros sistemas celulares hacían pensar a los investigadores que la alteración del gen podría tener un efecto claro en el desarrollo del embrión humano.

Para resolver esta cuestión, el primer paso fue optimizar la tecnología CRISPR y las técnicas de microinyección de elementos en el interior de zigotos (óvulos fecundados con espermatozoides, a partir de los que se desarrollan los embriones) en células madre embrionarias humanas o en cigotos de ratón.  De este modo, tras un año de trabajo, el equipo estimó que el método más efectivo para introducir una mutación en POU5F1 sería inyectar los componentes de CRISPR en los núcleos del óvulo y espermatozoides antes de que estos se fusionaran.

Los investigadores aplicaron la técnica a diferentes embriones, pertenecientes a parejas que habían seguido un tratamiento de fecundación in vitro y tras completar su familia habían decidido donar el resto de embriones almacenados para la investigación. Al analizar los embriones tratados con el sistema CRISPR encontraron  que OCT4 es necesario para que el correcto desarrollo hasta blastocisto, fase en la que el embrión tiene aproximadamente doscientas células, que se alcanza unos siete días después de la fecundación.

Los investigadores estudiaron el efecto de la ausencia de OCT4 hasta el séptimo día tras la fecundación. Imagen: Embrión de 8 células.

El equipo analizó la expresión génica de células de los embriones sin POU5F1 y encontró cambios en diferentes genes que se expresan en los tejidos extraembrionarios o reguladores del estado pluripotencial de las células embrionarias.  Además, los resultados obtenidos sugieren que los embriones humanos  requieren de la función de OCT4 de forma más temprana de la que lo hacen los embriones de ratón.

“Nos sorprendió ver cómo de importante es este gen para el desarrollo embrionario humano, pero necesitamos continuar trabajando para confirmar este papel,” señala Norah Fogarty, primera autora del trabajo. “Otros métodos de investigación, incluyendo estudios en ratón, sugerían un papel más tardío y más concreto para OCT4, así que nuestros resultados resaltan la necesidad de la investigación en embriones humanos.”

Por último, los investigadores señalan que el sistema de edición génomica no provocó ningún aumento en la inestabilidad del material hereditario, lo que sugiere que podría utilizarse para estudiar otros genes.

“Ahora que hemos demostrado una forma eficiente de hacer esto, esperamos que otros científicos lo utilizarán para desvelar el papel de otros genes,” señala Kathy Niakan, investigadora del Instituto Crick y directora del trabajo. “Si supiéramos los genes clave que necesitan los embriones para desarrollarse con éxito, podríamos mejorar los tratamientos de fecundación in vitro y entender algunas de las causas de los fallos en el embarazo.” Niakan reconoce que podrían hacer falta años para alcanzar este conocimiento, y añade que el estudio que publican en Nature es el primer paso hacia ese objetivo.

Esta es la primera vez que un estudio utiliza CRISPR en embriones humanos para investigación básica, no destinada, por ejemplo,  a modificar mutaciones patológicas que dan lugar a enfermedades humanas.  Los experimentos con embriones humanos son un tema de amplio debate en ciencia y su aprobación está fuertemente regulada en aquellos países en los que se realiza. El estudio, dirigido por el Instituto Crick, fue llevado a cabo bajo una regulación estricta por parte de la HFEA, agencia reguladora de Reino Unido responsable de la supervisión de los tratamientos de infertilidad e investigación.  En 2016, el equipo de Kathy Niakan, investigadora responsable del trabajo, fue el primero en recibir autorización por parte de esta agencia para utilizar CRISPR en embriones humanos con fines de investigación.  De acuerdo a la legislación de Reino Unido, los embriones utilizados en sus estudios no pueden ser utilizados para llevar a cabo un embarazo y nunca podrán mantenerse más allá de los 14 días después de la fecundación. Para asegurar la transparencia de sus investigaciones  las hojas de información para los donantes de los embriones y sus consentimientos informados están disponibles de forma pública.

Investigación original: Fogarty NME, et al. Genome editing reveals a role for OCT4 in human embryogenesis. Nature. 2017. Doi: http://dx.doi.org/10.1038/nature24033

Fuentes:

Genome editing reveals role of gene important for human embryo development. https://www.crick.ac.uk/news/science-news/2017/09/20/genome-editing-reveals-role-of-gene-important-for-human-embryo-development/

Use of CRISPR-Cas9 genome editing technique in human embryos. https://www.crick.ac.uk/research/a-z-researchers/researchers-k-o/kathy-niakan/hfea-licence/

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