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15.12: CRISPR
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CRISPR
 
TRANSCRIPCIÓN

15.12: CRISPR

15.12: CRISPR

Genome editing technologies allow scientists to modify an organism’s DNA via the addition, removal, or rearrangement of genetic material at specific genomic locations. These types of techniques could potentially be used to cure genetic disorders such as hemophilia and sickle cell anemia. One popular and widely used DNA-editing research tool that could lead to safe and effective cures for genetic disorders is the CRISPR-Cas9 system. CRISPR-Cas9 stands for Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats and CRISPR-associated protein 9. A basic CRISPR-Cas9 system consists of a Cas9 endonuclease and a small RNA that guides Cas9 to the target DNA.

Origin

CRISPR sequences were first observed in bacteria and later identified in archaea. Researchers discovered that the CRISPR-Cas9 system serves an adaptive immune defense against invading viruses. Many bacteria and most archaea capture short sequences of the viral DNA to create a library of virus DNA segments, or CRISPR arrays. When the prokaryotes are re-exposed to the same virus or class of viruses, CRISPR arrays are used to transcribe small RNA segments that help recognize viral invaders and subsequently destroy viral DNA with Cas9 or a similar endonuclease.

Using CRISPR-Cas9 Technology

CRISPR-Cas9 is commonly used in the laboratory to remove DNA and insert a new DNA sequence in its place. To achieve this, researchers must first create a small fragment of RNA called the guide RNA, with a short sequence called the guide sequence that binds to a specific target sequence on genomic DNA. The guide RNA can also associate with Cas9 (or other endonucleases like Cpf1). The guide RNA and Cas9 protein are administered to a cell of interest where the guide RNA identifies the target DNA sequence and Cas9 cleaves it.

The cell’s machinery then repairs the broken strands by inserting or deleting random nucleotides, rendering the target gene inactive. Alternatively, a customized DNA sequence may be introduced into the cell along with the guide RNA and Cas9, that serves as a template for the repair machinery and replaces the excised sequence. This is a highly effective way for researchers to “knock out” a gene to study its effects or replace a mutated gene with a normal copy in hopes of curing a disease.

Ethical and Feasibility Considerations in Humans

As a result of the significant gene modification capabilities of the CRISPR-Cas9 system, there has been great debate over its use, especially in regards to embryo editing. A Chinese scientist recently claimed to have created genome-edited babies using CRISPR technology to disable a gene involved in HIV infection. This led to a global outcry from scientists concerned about the ethical and safety considerations of the procedure. Many have called the move premature, and others have expressed concerns over off-target genomic effects. While the number of possible biotech applications for the CRISPR-Cas9 system is numerous, it is important to consider future challenges that may arise as a result of its use.

Las tecnologías de edición del genoma permiten a los científicos modificar el ADN de un organismo mediante la adición, eliminación o reorganización de material genético en lugares genómicos específicos. Estos tipos de técnicas podrían utilizarse potencialmente para curar trastornos genéticos como la hemofilia y la anemia de células falciformes. Una herramienta de investigación de edición de ADN popular y ampliamente utilizada que podría conducir a curas seguras y eficaces para los trastornos genéticos es el sistema CRISPR-Cas9. CRISPR-Cas9 significa Repeticiones palindromicas cortas agrupadas regularmente interespacializadas y proteína 9 asociada a CRISPR. Un sistema CRISPR-Cas9 básico consiste en una endonucleasa Cas9 y un pequeño ARN que guía a Cas9 al ADN objetivo.

Origen

Las secuencias CRISPR se observaron primero en bacterias y más tarde se identificaron en arqueas. Los investigadores descubrieron que el sistema CRISPR-Cas9 sirve una defensa inmune adaptativa contra los virus invasores. Muchas bacterias y la mayoría de las arqueas capturan secuencias cortas del ADN viral para crear una biblioteca de segmentos de ADN de virus, o matrices CRISPR. Cuando los prokaryotes se vuelven a exponer al mismo virus o clase de virus, las matrices CRISPR se utilizan para transcribir pequeños segmentos de ARN que ayudan a reconocer a los invasores virales y posteriormente destruir el ADN viral con Cas9 o una endonucleasa similar.

Uso de la tecnología CRISPR-Cas9

CRISPR-Cas9 se utiliza comúnmente en el laboratorio para eliminar el ADN e insertar una nueva secuencia de ADN en su lugar. Para lograrlo, los investigadores primero deben crear un pequeño fragmento de ARN llamado ARN guía, con una secuencia corta llamada secuencia de guía que se une a una secuencia de destino específica sobre el ADN genómico. El ARN guía también se puede asociar con Cas9 (u otras endonucleas como Cpf1). El ARN guía y la proteína Cas9 se administran a una célula de interés donde el ARN guía identifica la secuencia de ADN objetivo y Cas9 la corta.

La maquinaria de la célula repara las hebras rotas insertando o eliminando nucleótidos aleatorios, haciendo que el gen objetivo sea inactivo. Alternativamente, se puede introducir una secuencia de ADN personalizada en la célula junto con el ARN guía y Cas9, que sirve como plantilla para la maquinaria de reparación y reemplaza la secuencia extirpada. Esta es una manera muy eficaz para que los investigadores "saquen" un gen para estudiar sus efectos o reemplazar un gen mutado con una copia normal con la esperanza de curar una enfermedad.

Consideraciones éticas y de viabilidad en humanos

Como resultado de las importantes capacidades de modificación genética del sistema CRISPR-Cas9, ha habido un gran debate sobre su uso, especialmente en lo que respecta a la edición de embriones. Un científico chino afirmó recientemente haber creado bebés editados por el genoma utilizando la tecnología CRISPR para desactivar un gen involucrado en la infección por el VIH. Esto condujo a una oleada global de científicos preocupados por las consideraciones éticas y de seguridad del procedimiento. Muchos han llamado la medida prematura, y otros han expresado preocupación por los efectos genómicos fuera del objetivo. Si bien el número de posibles aplicaciones biotecnológicas para el sistema CRISPR-Cas9 es numerosos, es importante tener en cuenta los retos futuros que puedan surgir como resultado de su uso.


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