Transgénesis y terapia génica

Transgénesis y terapia génica
Nicolas Jouve
Catedrático de Genetica, Universidad de Alcalá
Email: [email protected]
El genoma que hoy conocemos de diversas especies es una suerte de libro de instrucciones
en manos de los científicos, que les permite, no solo conocer la organización y comprender el
funcionamiento de sus genes a lo largo de su vida, sino además modificarlos, que es a lo que se
refiere la terminología manipulación genética. La Real Academia de la Lengua señala que
“manipular es operar con la manos o con cualquier tipo de instrumento”. Evitando cualquier
sentido peyorativo, la manipulación genética la podríamos definir como el “conjunto de
operaciones encaminadas a modificar el material genético de un ser vivo, mediante tecnologías
in vitro e in vivo para diversos fines”.
La obtención de organismos transgénicos, incluida la posibilidad de su aplicación con fines
terapéuticos en el hombre, constituyen un capítulo especial de la biotecnología que es en
síntesis a lo que se refiere la manipulación genética.
De hecho, el avance general de la Biología durante el siglo XX y en especial en sus últimas
décadas, en un tiempo realmente corto, nos ha revelado la plasticidad del material genético y
nos ha dotado de técnicas capaces de moldearlo, lo que nos ha conferido el poder manipulador
sobre las características genéticas de los seres vivos. Pensemos que hace más de 60 años que
se tiene conocimiento de que la molécula de la vida es el ADN, que hace poco más de 50 que se
desveló la estructura de la doble hélice, algo menos de 40 que se descifró el lenguaje de los
genes, el código genético, y aproximadamente 30 que se desarrollaron las técnicas de
secuenciación del ADN. A estos decisivos pasos hay que unir el conocimiento de los
mecanismos de regulación de la actividad de los genes como respuesta a señales estímulos
externos o internos, lo que desde hace poco más de 30 años nos permite explicar el desarrollo
en términos genéticos.
Sin embargo, la manipulación genética es algo que se ha venido practicando desde los
comienzos de la humanidad, al igual que muchas de las prácticas biotecnológicas.
Hay que señalar que la modificación genética de las especies es algo que se viene practicando
desde los comienzos de la Agricultura y de la Ganadería. Entre los 10.000 y 6.000 años antes
de Cristo, tuvo lugar lo que se ha dado en llamar la primera revolución, la revolución agrícola,
consistente en la domesticación de las especies vegetales y animales por el hombre.
La biodiversidad y la adaptación, ha sido modelada por la selección natural. En el caso de las
especies domesticadas el agente modelador ha sido el hombre, que ha practicado una selección
artificial dirigida hacia los fines utilitarios que le interesaban en cada caso, una planta que
produjese más y mejores semillas, un animal que produjese más carne o leche o que le ayudase
en tareas tales como la caza o la carga, etc. La domesticación supuso una autentica
modificación genética de muchas especies de plantas silvestres y animales salvajes.
Transgénesis: Los Organismos Modificados Genéticamente
Con el trascendental descubrimiento del ADN se pasó de una intuición abstracta de la herencia
a tener conocimiento de que los genes son algo tangible y por tanto manipulable, que poseen
una naturaleza fisico-química consistente en moléculas largas de ADN que se podrían cortar,
aislar, clonar, caracterizar mediante la lectura de su mensaje, modificar y transferir al mismo o a
otro organismo convirtiendo los viejos sistemas naturales en sistemas nuevos, como
consecuencia de una modificación de sus características genéticas mediante un conjunto de
tecnologías que genéricamente reciben el nombre de ingeniería genética.
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Esta consiste en la inserción de genes, o secuencias de genes en el genoma de células o
individuos, mediante tecnologías moleculares y celulares, in vitro e in vivo, para su explotación
potencial con diversas finalidades. En esta dirección, han surgido en las últimas décadas ideas
tentadoras para los investigadores y tecnólogos, que están ávidos por encontrar soluciones a
problemas alimentarios o clínicos, con implicaciones sociales y económicas muy importantes. En
el momento presente sabemos cómo aislar genes de cualquier especie, clonarlos en el interior
de microorganismos como bacterias o levaduras, modificarlos y volverlos a implantar en el
genoma de la misma u otra especie, convirtiendo los viejos sistemas naturales en sistemas
nuevos, como consecuencia de una transformación de sus características genéticas.
A ello contribuyeron especialmente dos descubrimientos importantes de la década de los
setenta. En primer lugar las llamadas enzimas de restricción, unas moléculas que a modo de
tijeras permiten cortar el ADN por lugares específicos, lo que abrió las puertas al aislamiento de
los genes, y en segundo lugar las técnicas de secuenciación que permiten traducir la
información de las moléculas de ADN. A partir de estos descubrimientos germinaron dos ideas
en la mente de los biólogos moleculares, que han marcado el devenir de la Biología en los
últimos años: el abordaje en extenso de la caracterización de genomas completos, mediante el
desarrollo de los llamados Proyectos Genoma y la obtención de los Organismos Modificados
Genéticamente (=OMG), más comúnmente denominados transgénicos, con el fin de resolver
problemas agroalimentarios, clínicos, industriales, etc. con importantes implicaciones sociales y
económicas. Entre las beneficiosas aplicaciones de las manipulaciones genéticas se cuenta
también la terapia génica, que por medio de la introducción de genes en el genoma del propio
hombre, tratan de otorgar nuevas capacidades a sus receptores, corregir enfermedades ó
conferir propiedades inexistentes previamente con el fin de mejorar su salud.
La manipulación genética puede ser causa de trastornos imprevistos en sus beneficiarios y
siempre está presente el riesgo de daños colectivos de proporciones epidémicas. Hoy
constatamos que en lo que a los organismos transgénicos se refiere se ha fomentado un temor
injustificado a la ciencia, que ha encontrado un terreno fértil a la imaginación catastrofista. Sin
duda, en este campo de la investigación aplicada se extreman las precauciones y se han
establecido unas normas éticas que tratan de minimizar su peligrosidad.
El procedimiento básico que se ideó fue el de transformar un organismo deficiente en algún
carácter genético, mediante la introducción de un gen adecuado procedente de otro organismo
en su genoma. Para ello, primero hay que extraer el ADN de un organismo donante, cortarlo en
fragmentos que contengan el gen o genes de interés e insertarlo en una molécula que se
replique autónomamente (por ejemplo un plásmido bacteriano). Una vez clonado el gen de
interés en un microorganismo (bacterias o levaduras), se elige un vector adecuado para
introducirlo en el genoma receptor. El vector con el gen de interés insertado se utiliza a modo de
vehículo para su traslado al genoma donde será finalmente integrado. De este modo se obtienen
organismos de diseño = transgénicos.
Realmente los primeros ensayos de modificación genética, mediante la incorporación de un
ADN extraño a un organismo vivo, son los que se desarrollaron en 1928 por Frederick Griffith,
en la especie bacteriana Diplococcus pneumoniae. Este autor demostró la existencia de un
principio transformante, un tipo de moléculas, con capacidad de transformar genéticamente unas
cepas bacterianas, de modo que pasaban de ser inocuas, incapaces de producir una
enfermedad en los ratones, a ser patógenas y generar una grave septicemia en los animales de
experimentación. Unos años más tarde, en 1944 merced a un elegante experimento
desarrollado por los investigadores americanos Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCartthy, se descubrió que el principio transformante era el ADN, y de este modo se descubrió la
molécula de la vida.
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Bacterias transgénicas
Las bacterias transgénicas pueden utilizarse como auténticas factorías para la síntesis de
proteínas eucarióticas de gran valor, cuya obtención por otros medios resulta difícil. Los OMG o
transgénicos, adquieren alguna capacidad nueva de la que carecían por completo antes de la
incorporación a su genoma del gen responsable. Los fines que se persiguen con la modificación
genética en bacterias pueden ser tan diversos como: la producción de agentes terapéuticos
(hormona del crecimiento humana, insulina humana, un factor de coagulación, eritropoyetina,
etc.), vacunas, síntesis de productos de interés comercial (vitamina-C, aminoácidos, antibióticos,
etc.), bioremediación de suelos contaminados, etc.
Animales transgénicos
La ingeniería genética para la obtención de animales transgénicos tiene un gran potencial en la
cría de animales de granja, con fines de mejorar la calidad de la carne o la leche, la resistencia a
enfermedades, etc., Otra vertiente es la destinada a la industria farmacéutica. En este caso se
utilizan los animales transgénicos como bioreactores para la producción de proteínas en su
sangre, o en la leche, que pueden ser utilizados como fármacos. Una nueva vertiente que
encierra cierto interés es la de la modificación genética de animales, como cerdos u otros, con
genes humanos, proceso denominado “humanización”, para su utilización en xenotransplantes.
También se utiliza esta tecnología para la obtención de los llamados ratones “knockout”, que
tienen anulado (noqueado) algún gen determinado, con el fin de estudiar sus efectos en el
fenotipo. Esto es muy interesante como método de experimentación en biomedicina.
Plantas transgénicas
La ingeniería genética en plantas, obtención de plantas transgénicas, trata de transformar
plantas o variedades cultivadas genéticamente mediante la incorporación del gen o genes
correctores de las carencias que tuvieran, con el fin de que la modificación constitucional las
haga más dependientes de sí misma que de los agentes externos: Desde el punto de vista de la
modificación genética, es evidente que esta mejora vegetal por ingeniería genética es más
directa y más restringida que la que se produce por los tradicionales métodos de cruzamiento y
selección. La transformación de plantas por ingeniería genética puede conducir a la modificación
de los caracteres de interés para su explotación como plantas cultivadas, pero también para la
ampliación de su utilidad hacia nuevos beneficios no ensayados o imposibles de abordar
mediante la mejora genética tradicional.
Para la obtención de las plantas transgénicas el primer método que se ensayó con éxito fue el de
la agro-infección, consistente en la utilización de un sistema natural. Se trata de la transferencia
de ADN de un plásmido bacteriano al genoma de una planta huésped aprovechando la relación
de simbiosis entre una bacteria del suelo, llamada Agrobacterium tumefaciens y numerosas
especies de plantas. Esta bacteria es en realidad un patógeno vegetal que causa la enfermedad
que se conoce como agallas en corona. La infección puede realizarse in vitro, sobre trocitos de
tejidos de la planta a tratar, que después se depositan en un medio nutritivo, como los que se
utilizan para cultivar cepas de bacterias y hongos en laboratorio, para la regeneración de
plántulas. Las bacterias infectan las células de la raíz de las plantas y canaliza unos trocitos de
ADN (segmento T) de un plásmido (anillo de ADN extragenómico de la bacteria) llamado pTi, al
genoma de la planta huésped. La idea fue canalizar el gen a introducir en la planta insertándolo
previamente en el segmento T, que finalmente se transferirá al genoma vegetal. El último paso,
consiste en regenerar plantas adultas que hayan incorporado el segmento T con los genes que
las han de transformar. Normalmente, la estabilidad de la expresión de la mayoría de los genes
que se han introducido por medio del plásmido pTi de A. tumefaciens es excelente
El método de agro-infección ha servido para transformar bastantes especies vegetales
dicotiledóneas con una gran diversidad de genes de interés. Sin embargo, plantea ciertas
dificultades de aplicación en especies de grupos tan importantes como las monocotiledóneas,
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entre las que se encuentran las especies cultivadas de mayor interés, como los cereales: el
maíz, el trigo y el arroz. Este es uno de los motivos por el que los científicos intentaron
desarrollar otras técnicas para la obtención de formas transgénicas en estas especies.
La necesidad de ampliar la gama de especies vegetales susceptibles de mejora por métodos
biotecnológicos, impulsó el desarrollo de otro procedimiento que con el tiempo ha adquirido una
gran importancia. Se trata del bombardeo de las células a transformar con microproyectiles
cubiertos de ADN, o como más genéricamente se le denomina biolística ó biobalística.
Las plantas transgénicas ofrecen sistemas constitutivos de defensa, resistencia o adaptación
propios, es decir desde el interior de la planta, mucho más eficaces y limpios para el
aprovechamiento de las cosechas contra las malas hierbas, insectos, hongos, bacterias o
nemátodos, que los tradicionales agentes fitosanitarios. En contraste con los riesgos que se le
atribuyen, estas plantas permitirían rebajar o eliminar la aplicación de herbicidas o pesticidas tan
peligrosos como los derivados organo-fosforados, que dejan residuos contaminantes, y aunque
la semilla comercial es más cara se produce un ahorro considerable en la factura de los
pesticidas.
La obtención de los organismos transgénicos es consecuencia de dos hechos: la acumulación de
conocimientos en Genética y Biología Molecular, impulsores de las aplicaciones biotecnológicas,
y los problemas de índole social, como el hambre, la pérdida de las cosechas por plagas y
enfermedades y todas las consecuencias derivadas de una agricultura agresiva para las
pequeñas comunidades de agricultores y el medio ambiente. Esta era la situación a finales de los
ochenta que no ha cesado hasta el momento y los argumentos a favor o en contra de los
organismos transgénicos no deben ignorar esta realidad.
Aunque la oposición al uso de los organismos transgénicos se centra en los riesgos de su
impacto ambiental y en los riesgos alimenticios, se han esgrimido varias razones para el rechazo
que se pueden sistematizar en cinco categorías: éticas, de seguridad, económicas, tecnológicas
e ideológicas de carácter naturalista. La realidad es que las plantas transgénicas ofrecen una
agricultura más rentable y menos agresiva frente al ambiente que la agricultura tradicional.
Terapia Génica (=transgénesis en el hombre)
De los genes hay que recordar lo siguiente:
• Se puede definir un gen como una unidad elemental de la herencia (No sería correcto
asimilar gen a carácter, dado que en un carácter pueden intervenir muchos genes)
• Cada gen contiene regiones codificantes (piezas llamadas exones) intercaladas entre otras
no codificantes (intrones). De este modo mediante el procesamiento alternativo de los
exones se pueden obtener múltiples tipos de proteínas de cada gen (en el genoma humano
• >200.000 proteínas de unos 25.000 genes)
• De nuestro ADN solo el 2% está representado en los exones, y por tanto codifica proteínas
• El gen es una unidad de transcripción (paso de ADN a ARN. Primer paso de expresión del
gen para dar a final una proteína).
• Los genes se distribuyen en los cromosomas como las cuentas de un rosario.
Merced al progresivo avance en el conocimiento del genoma humano, las técnicas de
aislamiento y caracterización de genes, la ingeniería genética para obtención de ADN
recombinante, el cultivo de células in vitro, etc., se están abriendo paso novedosas
investigaciones conducentes a la llamada terapia génica. Básicamente la terapia génica
consiste en la restauración del gen defectuoso en un individuo afectado por una enfermedad
hereditaria, bien sea por inserción del gen correcto en el genoma, o por la anulación o
modificación del nivel de expresión del gen alterado. También se puede definir como la
introducción de material alogénico (natural o recombinante) en sujetos humanos, con el fin de
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corregir deficiencias celulares expresadas en el nivel fenotípico, o como una estrategia
terapéutica basada en la modificación del sistema genético de células somáticas, mediante la
administración de ADN o ARN destinada a curar tanto enfermedades de origen hereditario como
adquirido. Por último también se define la terapia génica como la transferencia de material
genético nuevo a células de un individuo dando lugar a un beneficio terapeútico para el mismo.
En cualquier caso, y por razones de complejidad queda de momento descartado del ámbito de
las operaciones de terapia génica la corrección de defectos en el número o estructura
cromosómica.
En una primera aproximación, la terapia génica se nutre de las mismas técnicas que han
permitido obtener los organismos transgénicos. Precisando un poco más, al hablar de terapia
génica debemos distinguir las siguientes modalidades:
• somática ó germinal
• ex vivo, in vivo ó in vitro
• de estimulación
• de muerte celular (directa o indirecta)
• muerte directa de células enfermas por medio de células del sistema inmune
• de corrección de la mutación (targeted mutation)
• aumento de dosis génica
• de inhibición de la expresión génica (terapia antisentido)
La terapia génica somática, es la que actúa sobre las células no germinales. En este caso la
modificación genética no se transmite a la descendencia y las células germinales del sujeto al
que se interviene no se modifican genéticamente. En el caso de que exista un gen alterado en el
individuo, lo podría transmitir a sus descendientes, dependiendo de las leyes de la segregación.
La corrección genética solo se opera en el individuo tratado pero no se transmite. Este tipo de
terapia génica es la única aceptada por consenso general entre los investigadores. En principio,
la terapia génica somática no ha sido motivo de reservas éticas, salvo las relacionadas con su
posible aplicación a la ingeniería genética de potenciación, es decir, toda manipulación genética
cuyo objetivo sea favorecer algún carácter no relacionado con una enfermedad.
Respecto a las enfermedades candidatas ideales, son las monogénicas recesivas, las que se
deben a carencias de un enzima, o las que muestran diferencias en los niveles de expresión
Históricamente, los primeros experimentos de terapia génica se llevaron a cabo con ratones, a
finales de los años ochenta y los ensayos consistían en inyectar el ADN foráneo en los
embriones, durante los primeros estadios de proliferación celular. Se trataba de que tras la
proliferación de los embriocitos y superada la fase de blastocisto, la anidación y la diferenciación
de las células tisulares somáticas adultas, los genes siguieran presentes y se replicasen al
unísono con el resto del genoma, como una parte integrante de él. También se hicieron
experimentos en los que el ADN ajeno podía integrarse en la línea germinal. Los genes a insertar
eran previamente clonados en bacterias y a continuación se microinyectaban en ovocitos de
ratón recién fertilizados, antes de la fusión de los pronúcleos masculino y femenino, para
constituir al núcleo del embrión unicelular, el cigoto. Se inyectaban cientos de copias del ADN
extraño disueltos en uno de los dos pronúcleos y después se transfería el embrión obtenido por
fecundación in vitro al útero de la madre para su anidación y continuación del desarrollo
embrionario. En los primeros experimentos, el porcentaje de zigotos supervivientes a la
manipulación variaba entre el 10-30%. De los supervivientes el número de individuos que
presentaban el ADN extraño en sus cromosomas fue del 2-40%.
El ADN extraño incorporado en el genoma receptor, el transgén, aparecía integrado al azar, sin
preferencia por un lugar concreto en los cromosomas. Un hecho que se pudo constatar es que
un transgén integrado en una localización cromosómica distinta a la de su duplicado endógeno,
normalmente se expresa de manera que mimetiza la expresión del gen endógeno.
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Para el logro de la introducción de los genes correctores en las células en cuyo genoma se
desean insertar se utilizan unos vectores. Los vectores son sistemas que ayudan en el proceso
de transferencia de un gen exógeno a la célula, facilitando la entrada y biodisponibilidad
intracelular del mismo, de tal modo que este pueda funcionar correctamente. Se han utilizado
una gran variedad de vectores con fines experimentales, pero todos ellos pueden ser clasificados
en: vectores virales (adenovirus, retrovirus) y vectores no virales (plásmidos-liposomas).
En algunos protocolos de terapia de genes, o cuando se desea transferir genes humanos a
células en cultivo, se utilizan virus como vectores, debido a su elevada eficacia en la
transferencia. En el esquema adjunto vemos el protocolo de terapia génica de la enfermedad
conocida como Síndrome de Inmunodeficiencia Combinada Severa (SCID), que padecen los
llamados “niños burbuja”, por la necesidad de su aislamiento. Esta enfermedad se debe a la
deficiencia en la enzima ADA (Adenosina Desaminasa). El gen correcto se inserta ex vivo en
células de la médula ósea, utilizando virus atenuados como vectores. Una vez insertado el gen
en el genoma, de las células humanas, estas son inyectadas en la médula orea del niño. Se han
descrito casos de niños que siguieron este tratamiento y a posteriori han desarrollado cáncer.
El primer éxito de una operación de terapia génica tuvo lugar en Septiembre de 1990. Los Dres.
Blaese, Anderson y Rosenberg desarrollan una técnica para introducir el gen que codifica para la
enzima adenosin desaminasa (ADA) en niños que padecen una inmunodeficiencia combinada
severa (SCID). Ashanti de Silva fue la primera paciente que recibió la terapia génica ex vivo para
combatir la inmunodeficiencia combinada severa (SCID-ADA) cuando tenía cuatro años de edad.
Pasó de ser una "niña burbuja" a vivir con una calidad de vida normal. Para otro tipo de niños
“burbuja” que padecían SCID por mutación en el gen ADA (Adenosine Deaminase Deficiency) se
obtuvo buen resultado administrando el vector con el gen “sano” junto a un preparado proteico
con actividad enzimática).
El Dr. Donald Kohn y sus colaboradores en el Hospital Pediátrico de la Universidad de California,
en Los Ángeles y San Francisco, llevaron a cabo en 1998, un tratamiento de terapia para
introducir el gen que codifica la enzima adenosin desaminasa (ADA) en niños que padecen una
inmunodeficiencia combinada severa (SCID), también llamados “niños burbuja”, debido a que
han de ser aislados por la falta de defensas en su sistema inmunológico. Para ello se
manipularon genéticamente células de SCU, a las que se insertó el gen ADA correcto. En esta
operación, el gen correcto se insertó ex vivo en células de SCU, utilizando virus atenuados como
vectores. Una vez insertado el gen en el genoma, de las células SCU, estas son inyectadas en la
médula ósea del niño a tratar. Los tres niños, que también han venido recibiendo el tratamiento
adicional de la enzima, están sanos hasta la fecha, aun cuando en la experimentación solo una
pequeña proporción de las células SCU eran portadoras del inserto del gen correcto, para la
síntesis de la enzima ADA, de que eran deficitarios.
El primer fracaso tuvo lugar en 1999, cuando murió un paciente de 18 años en Fase I de ensayo
clínico de terapia génica, para la corrección de una Deficiencia en Ornitina Decarboxilasa. El
problema consistió en una reacción inflamatoria ocasionada por el vector adenoviral (inyección
intrahepática de partículas de Adenovirus recombinante)
Más del 80% de los protocolos que se desarrollan de terapia génica van dirigidos (por mediación
de genes terapéuticos o modulaciones del sistema inmune) a la cura del cáncer o de procesos
infecciosos. Excepto en raras ocasiones se realiza terapia de forma directa: sustituir el gen
causante de la patología. Los principales problemas que se han de resolver tienen que ver con el
hecho de que los ensayos con animales no permiten extrapolar fácilmente los resultados a los
seres humanos. Por ello hay que recurrir a experimentación en individuos voluntarios que no se
van a beneficiar de ella. Por otra parte, se ha de hacer una cuidadosa elección de los individuos
que van a estar sometidos a terapia génica o es probable el fracaso de cualquier terapia de tipo
experimental que se probase, no por su ineficacia, sino porque el paciente podría no responder a
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la misma por deterioro de su sistema. Otro problema importante es el de la falta e control en la
inserción de los genes correctores, que podría tener lugar en una zona del genoma que
provocase el deterioro de algún sistema diferente al alterado.
Con la terapia génica en las células germinales se trata de corregir la patología de modo que no
pase a la descendencia, por lo que el riesgo de darse algún fallo afecta no solo al individuo
tratado, sino que podría transmitirse a las futuras generaciones descendientes. Además, la
tecnología de la transferencia de genes y sobre todo de su inserción en determinadas células es
todavía poco eficaz y no se puede controlar la posición en la que el gen terapéutico se insertará
en el cromosoma de la célula hospedadora.. Es preciso avanzar en la llamada “recombinación
homóloga”, para lo que han de hacerse investigaciones que desvelen todos los factores que
intervienen en el proceso.
La terapia germinal se realiza desde el estado embrionario, cuando aun no se han diferenciado
las células de los propios tejidos germinales y tras la detección de la patología de causa genética
mediante un diagnóstico en el propio embrión. En las condiciones actuales y dados los
problemas de control de los experimentos en lo que atañe a la inserción de los genes, no sólo se
inutilizarían muchos embriones sometidos a terapia, sino que se pondría en peligro su propio
desarrollo causando un mayor daño. Por motivos éticos y de seguridad, las diferentes
legislaciones actuales, de los países en que se llevan a cabo las investigaciones biomédicas en
este campo, no permiten este tipo de intervenciones en las células germinales.
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