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    Fernando Galán, Isabel de Lavera, David Cotán, José A. Sánchez-Alcázar.

    Journal of Investigative Medicine High Impact Case Reports July-September 2015

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Fernando Galán Galán

Profesor Titular de Medicina
Especialista en Medicina Interna
Experto en Miopatía Mitocondrial del Adulto
Fibromialgía y Síndrome de Fatiga crónica
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INGENIERÍA GENÓMICA MEDIADA POR CRISPR/Cas. DISEÑO DE GUÍA RNA (gRNA). 2012

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Año 2012, las investigadoras Emmanuelle Charpentier y Jennifer Doudna de la Universidad de California en Berkeley, demuestran cómo utilizar CRISPR como herramienta de edición programable, que sirve para cortar cualquier cadena de ADN in vitro. De esta forma es posible programar el sistema para que se dirija a una posición específica de un ADN cualquiera y cortarlo, para ello utilizan el sistema CRISPR más simple que se basa en una proteína llamada Cas9. Descubren que las bacterias responden ante un virus invasor al transcribir espaciadores y ADN palindrómico en una larga molécula de ARN y que entonces la célula utiliza un ARN llamado Trans-activating crRNA y la proteína Cas9 para cortarla en segmentos, llamados ARNcr.

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Cas9 se puede programar utilizando una molécula de ARN de ingeniería única que combina las características de tracrRNA y crRNA.

(A) (Superior) En los sistemas CRISPR / Cas de tipo II, Cas9 está guiada por una estructura de dos ARN formada mediante la activación de tracrRNA y crRNA diana, para escindir la doble cadena del ADN (dsDNA) dirigida específicamente al sitio de corte.

(A)(Inferior) Un ARN quimérico generado al fusionar el extremo 3 'del crRNA con el extremo 5' del tracrRNA.

(B) Un plásmido que alberga la secuencia objetivo del protospacer 4 y un WT PAM se sometió a escisión mediante Cas9 programado con tracrRNA (4-89): dúplex crRNA-sp4 o ARN quimérico transcrito in vitro construido uniendo el extremo 3 'del crRNA a el extremo 5 'del tracrRNA con un tetraloop GAAA. Las reacciones de escisión se analizaron mediante mapeo de restricción con XmnI.

  • Las secuencias de ARN quiméricos A y B se muestran con secuencias dirigidas a ADN (amarillo), secuencias derivadas de repetición de crRNA (rojo) y secuencias derivadas de tracrARN (azul claro).
  • El objetivo principal de esto es simplificar el sistema CRISPR para que no tenga que expresar tres cosas (es decir, Cas9, tracrRNA y crRNA). En cambio, solo necesita Cas9 y sgRNA). Esta simplificación es importante cuando comienza a trabajar con aplicaciones CRISPR; cuantas menos partes móviles, más eficiente es el sistema.

Los gRNA fueron hechos artificialmente.

El diseño de gRNA se basa en los crRNAs y tracrRNAs que existen naturalmente en la naturaleza.

  • Nucleótidos 1–32 es el crRNA natural.
  • Nucleótidos 37–100 es el tracrRNA natural

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La enzima Cas 9 (azul) genera rupturas en el ADN bicatenario al usar sus dos centros catalíticos (representados como cuchillas) para escindir cada cadena de un sitio específico del ADN diana (amarillo) junto a una secuencia PAM (rojo) y hacer coincidir la secuencia de 20 nucleótidos (naranja) del ARN guía (sgRNA). El sgRNA incluye una secuencia de ARN dual derivada del ARN CRISPR (verde claro) y un transcripto separado (tracrRNA, verde oscuro) que se une y estabiliza la proteína Cas9.

La escisión de ADN mediada por Cas9-sgRNA produce una ruptura roma de doble cadena que desencadena enzimas de reparación para interrumpir o reemplazar secuencias de ADN en o cerca del sitio de escisión.

Pasos para el diseño Cas9 (sgRNA)

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  • Los sgRNA personalizados (barras de color azul claro) para cada objetivo, así como los cebadores de genotipado, están diseñados en silico a través de la herramienta de diseño CRISPR.
  • Las secuencias de guía de sgRNA se pueden clonar en un plásmido de expresión que lleva tanto la estructura principal del andamio de sgRNA (BB) como Cas9, pSpCas9 (BB).
  • El plásmido resultante se refiere como pSpCas9 (sgRNA). Los plásmidos pSpCas9 (sgRNA) completos y verificados en secuencia y las plantillas de reparación opcionales para facilitar la HDR se transfectan a las células y se analiza su capacidad para mediar la escisión dirigida.
  • Finalmente, las células transfectadas pueden expandirse clonalmente para derivar líneas celulares isogénicas con mutación definida.

¿Cómo hacer llegar los componentes de la técnica hasta las células?

  • Vectores virales: suelen ser más eficientes pero plantean preocupaciones como la inmunogenicidad.
  • Vectores no virales: por ahora menos eficaces

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Diferentes enfoques para entregar sistema CRISPR-cas a las células. El ARNg puede administrarse como ADN clonado en un plásmido o como ARN. Sin embargo, la proteína cas9 puede administrarse como una molécula de ADN o ARNm que codifica para el gen cas9, o puede administrarse como una ribonucleoproteína funcional (RNP).

El suministro no viral es posible mediante: nanopartículas lipídicas, nanopartículas de polímeros, péptidos que penetran en las células (CPP), nanoestructuras de ADN y nanopartículas de oro.

Cas9 puede entregarse con éxito en formato de ADN, ARNm o proteína para lograr una edición genética exitosa. Cada formato conlleva sus propios desafíos particulares de entrega.

La entrega de Cas9 RNP resulta en el inicio más inmediato de la edición de genes, también puede ser extremadamente transitoria y sufre el desafío adicional de la entrega a través de dos barreras celulares (la membrana celular y la membrana nuclear).

La entrega de ADN que codifica el gen cas9 puede ofrecer la expresión más estable de la proteína Cas9, sin embargo, el gen debe someterse a los procesos biológicos de transcripción (A) y traducción (B) antes de que el efecto terapéutico pueda realizarse, lo que lleva a un retraso en el inicio de la edición de genes. En las células de mamíferos, el ADN generalmente también debe administrarse directamente al núcleo.

El ARNm no necesita ser entregado al núcleo, ya que la maquinaria de traducción celular se encuentra en el citoplasma. Sin embargo, los ARNm son extremadamente susceptibles a la degradación enzimática. 

Edición del genoma con CRISPR-cas9.

Delivery-editing-Crispr-cas.PNG

  • El suministro viral está disponible por lentivirus (LV), adenovirus (AdV) y virus adenoasociados (AAV).
  • Los métodos físicos como: la electroporación, la microinyección, la transducción inducida por osmocitosis y propanebetaína (iTOP) y la deformación mecánica de las células

A la izquierda, se utilizan diferentes métodos de administración para administrar los componentes CRISPR-cas9: virales y no virales. Los métodos virales suelen ser más eficientes pero plantean preocupaciones como la inmunogenicidad.

A la derecha: representación esquemática de la edición del genoma con CRISPR-cas.                                                                                                        Después de administrar los componentes CRISPR, durante la fase G1 / S del ciclo celular:

  • El gRNA (dominio de unión al ADN) se une a la secuencia diana dentro del genoma;
  • Este complejo de ARNg-ADN está específicamente reconocido por la proteína cas9 (el dominio efector), que induce una ruptura bicatenaria en el ADN;
  • La modificación del genoma ocurre, principalmente a través de la activación de uno de los dos mecanismos de reparación del ADN: unión final no homóloga (NHEJ) o reparación dirigida por homología (HDR).
  • NHEJ introduce inserciones o deleciones dentro de una secuencia,
  • HDR requiere la entrega de una secuencia donante que a través de la recombinación con la secuencia dirigida puede conducir a mutaciones o inserciones puntuales.

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 Estudios clave de caracterización e ingeniería de sistemas CRISPR

 

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21 oct 2019. Se publica una nueva técnica de edición de ADN llamada 'edición principal” por  Anzalone, Randolph, Davis, Sousa, Koblan, Levy, Chen, Wilson, Newby, Ranguram, Liu. Massachusetts Institute of Technology, Harvard University

Colectivamente, las tecnologías basadas en CRISPR/Cas9 están revolucionando la genética molecular contemporánea.

Se puede decir, que es a partir del año 2011 cuando empiezan a explorarse las aplicaciones en ingeniería genómica del sistema CRISPR-Cas.

Como apunte final para remarcar la importancia del sistema CRISPR-Cas, el 28 mayo de 2015, las investigadoras Emmanuelle Charpertier y Jennifer Doudna fueron galardonadas con el premio Princesa de Asturias por su contribución en el desarrollo de la herramienta CRISPR-Cas9.

REFERENCIA

Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., Charpentier, E. A Programmable Dual-RNA-Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity. Science, 2012; 337:816–821. 

PROF. DR. FERNANDO GALAN