Curiosidades del Profesor Francho de Fortanete

Profesor Francho de Fortanete

Sistemas inmunes de los procariotas


Los organismos como nosotros estamos protegidos de agresiones biológicas (patógenos), físico-químicas (contaminantes, radiaciones) o internas (células cancerosas) por una serie de órganos, células y procesos que constituyen nuestro sistema inmune. En realidad, no hay un solo sistema inmune, sino dos o, mejor dicho, dos tipos de sistema inmune: el innato o inespecífico y el adquirido o adaptativo.

El primero, básicamente, distingue patrones moleculares asociados a peligro o a patógenos, identificando células donde se encuentran esas señales y eliminándolas. Este tipo de mecanismos de inmunidad está presente en eucariontes, plantas, peces, reptiles, insectos, mamíferos...

El segundo, presente en los vertebrados, “aprende” a reconocer y ataca materiales y patógenos específicos mediante diversos mecanismos, desde los anticuerpos hasta diversas sustancias y varios tipos celulares. De él se aprovecha la vacunación.

Hasta los años 60 del siglo pasado nadie pensaba que los procariotas (bacterias, cianobacterias y arqueas) dispusieran de sistemas inmunes como tales. Pero en esos años se descubrió en estos organismos el sistema de restricción-modificación. Constituyen este sistema unos enzimas –en concreto, endonucleasas, que cortan el ADN lejos de los extremos- llamados de restricción y unas metilasas o metiltransferasas que metilan el ADN. Los enzimas de restricción se unen al ADN en cortas secuencias palindrómicas o casi palindrómicas de bases o cerca de ellas y lo cortan, dejándole extremos romos o bien extremos cohesivos, según que corten las dos hebras a la misma altura o a alturas distintas (en cuyo caso, las hebras pueden volver a unirse por complementariedad, de ahí la calificación de “cohesivos”).

Cuando se descubrieron estos enzimas, se desconocía su función, pero más adelante se vio que cortaban en muchos fragmentos ADN de origen externo, básicamente ADN víricos, que constituyen agresores para las bacterias, volviéndolos inocuos. Por su parte, las metilasas metilan el ADN bacteriano de forma que sus secuencias atacables por los enzimas de restricción no son accesibles a éstos.

Los enzimas de restricción que dan extremos cohesivos se utilizan desde los años 70 en la tecnología de ADN recombinante, para cortar el ADN.

Descubierto el sistema inmune inespecífico de las bacterias, no se esperaba que éstas dispusieran de uno adquirido, capaz de “aprender” y actuar específicamente contra determinadas agresiones. Al fin y al cabo, se pensaba, los procariotas son seres muy sencillos y “poco evolucionados” (error: llevan evolucionando el mismo tiempo que nosotros, aunque lo hagan de otra manera).

Durante un tiempo se creyó que los procariotas, por su sencillez y por tener poco material genético, tenían los genes muy compactados, a diferencia de los eucariotas que los tenemos separados por grandes fragmentos de ADN no codificante e interrumpidos por intrones que tampoco codifican. Realmente, la mayor parte del cromosoma bacteriano está muy compactada, pero hay porciones que no lo están. Cuando se mapearon los genomas de procariotas se observó, sobre todo en arqueas (microorganismos sin núcleo que viven en condiciones extremas),que había unos segmentos cromosómicos en que abundaban repeticiones palindrómicas de determinadas secuencias de bases, sin función aparente y espaciadas por secuencias semejantes a otras de virus y plásmidos. Inmediatamente delante de esas secuencias había una secuencia a la que se denominó “líder”. Cerca de este agrupamiento había genes que codificaban unas endonucleasas, los genes cas.

Quien descubrió esto fue Francisco J. M. Mojica, en la universidad de Alicante a finales de los 90. Al principio, fue algo casual, mapeando el genoma de arqueas halófilas (procariotas que viven en condiciones extremas de salinidad): Pero revisó meticulosamente muchos otros genomas procarióticos, encontrando lo mismo. Y le puso un nombre: CRISPR/Cas, acrónimo que corresponde a Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/Crispr associated genes (Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regulares Interespaciadas/genes asociados a Crispr).

Esta parte del cromosoma bacteriano, como se descubrió después, tiene una función inmunitaria, pero no una indiferenciada, sino análoga a la de un sistema inmune adquirido o adaptativo.

¿Cómo funciona este sistema? Cuando un virus introduce su material genético en la bacteria para tomar el control de su maquinaria de replicación, puede interaccionar con una proteína Cas. En esta interacción, el ADN viral es inactivado y degradado (también puede ser degradado por enzimas de restricción). Además, las proteínas Cas toman una parte del ADN viral, lo modifican y lo integran en el conjunto de secuencias CRISPR. Ese ADN se transcribe a ARN, que, a su vez, guiará la proteína Cas para destruir el ADN intruso en caso de una nueva infección o de una infección de la descendencia.

Aunque lo que me parece más interesante del asunto es el descubrimiento de este sistema inmune análogo al sistema adaptativo nuestro en bacterias, la fama de CRISPR/Cas no se debe a ello, sino a su valor tecnológico. He hecho mención más arriba a la utilización de los enzimas de restricción (sistema inmune inespecífico) en la tecnología de ADN recombinante. Se usan como “tijeras” para cortar el ADN y luego se usan otros enzimas para intercalar o añadir otros fragmentos de ADN y soldar sus extremos a los extremos del corte.

Las técnicas que utilizan los enzimas de restricción tienen fallos a veces importantes, y no son baratas. Además adolecen de poca precisión. Mojica y otros pronto se dieron cuenta de que CRISPR/Cas podía permitir mayor precisión (hasta el punto de eliminar o añadir una sola base al ADN), tendría muchos menos fallos y además sería más barato.

La técnica CRISPR/Cas opera del siguiente modo:

Se crea un ARN guía que habrá de hibridar con un sitio específico del ADN (donde se quiere cortar) y se asocia a Cas9, una endonucleasa concreta del complejo CRISPR/Cas, cuya misión será cortar el ADN diana y se introduce el complejo en la célula.

Como resultado de la acción del complejo ARN-Cas9, el ADN diana resultará cortado y se producirá en él un hueco o una inserción (indel).

Finalmente, se insertará en el sitio del corte el ADN que se quería introducir.

Y con esto cumplo lo que prometí en el artículo Las primeras hormigas transgénicas: que hablaría de la técnica CRISPR. Quienes suelen leer estos artículos deben felicitarme, porque creo que es la primera vez que cumplo cabalmente una promesa de las varias que les he hecho.