De ratones y genes en biomedicina ¡Benditos roedores!

Sagrario Ortega Jiménez
Unidad de Edición Genómica en Ratón
Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas, CNIO

Son una plaga cuando invaden nuestro hábitat, pero a estos roedores les debemos la mayor parte del conocimiento actual sobre cómo funcionan nuestros genes, cómo nos desarrollamos, envejecemos o enfermamos y cómo mejorar nuestra salud y nuestro bienestar. El ratón de laboratorio (Mus musculus) es un mamífero, como nosotros, de pequeño tamaño, relativamente fácil y económico de mantener, muy prolífico y con un tiempo de generación de sólo 3 meses. Compartimos con él el 99% de nuestros genes. Todo ello hace de él el modelo experimental por excelencia para estudios genéticos en Biomedicina. Gregor Mendel ya lo hubiera elegido en 1860, pero le prohibieron criar ratones en el monasterio, argumentando que no era sano para un monje convivir con criaturas que copulaban tan frecuentemente, teniéndose que conformar con estudiar los genes del guisante.

Genética clásica: de fenotipo a genotipo

Los estudios en genética del ratón se remontan a comienzos del siglo XX, cuando se demostró por primera vez la herencia mendeliana en mamíferos estudiando la transmisión de mutaciones que modifican el color y la textura del pelaje del ratón. En esta época se crearon las primeras cepas consanguíneas en el laboratorio, formadas cada una por animales genéticamente idénticos entre sí, esenciales para empezar a dibujar la primera cartografía de los cromosomas mediante la identificación de marcadores genéticos. Durante medio siglo, la genética de ratón estuvo dominada por dos temas principales centrados en el estudio del cáncer. El primero, encontrar los factores genéticos que determinan la susceptibilidad a los tumores trasplantados en los ratones, que condujo al descubrimiento del complejo principal de histocompatibilidad (MHC), un conjunto de genes en el genoma de los vertebrados que codifican proteínas de la superficie celular esenciales para el sistema inmunitario adaptativo, encargado de identificar y destruir invasores extraños al organismo y responsable del rechazo de trasplantes entre individuos no compatibles. El segundo fue el encontrar la base genética de la diferente susceptibilidad a desarrollar tumores espontáneos, que dio lugar al descubrimiento de los retrovirus endógenos y su capacidad de inducir espontáneamente linfomas y carcinomas mamarios.

La modificación del genoma

En las dos últimas décadas del siglo pasado se produjo una revolución en la Genética, impulsada por dos motores fundamentales. Por un lado, el proyecto Genoma Humano, que permitió conocer la secuencia completa del genoma de varias especies, ratón y humano entre ellas. Por otro lado, el desarrollo de tecnología para modificar, por ingeniería genética, la línea germinal del ratón, es decir introducir modificaciones en sus genes, transmisibles por herencia mendeliana. La transgénesis o transferencia genética y, en especial, la modificación dirigida del genoma (en inglés, gene targeting), establecidas por primera vez en esta especie, hicieron posible lo que llamamos “genética inversa”, es decir, modificar los genes primero y estudiar las consecuencias fenotípicas de esta modificación después, interrogando directamente al genoma para encontrar respuesta a preguntas fundamentales en Biología. Algunos consideran el desarrollo de estas tecnologías uno de los hitos científicos más importantes en la historia de la humanidad.

Cómo podemos modificar los genes del ratón

La transgénesis permite introducir material genético extraño de forma estable, pero al azar, en el genoma del ratón mediante la inyección de una solución que contiene ADN de una fuente elegida, en el núcleo de un óvulo de ratón fertilizado. Los ratones transgénicos permiten estudiar la función de los genes por ganancia de función o sobredosis de los mismos.

El “gene targeting”, unos años después, ofreció por primera vez la posibilidad de introducir modificaciones precisas y dirigidas en los genes del ratón explotando un proceso que se denomina recombinación homóloga del ADN. Se trata de un proceso ineficiente que no puede hacerse directamente en embriones, sino que requiere el uso de células madre embrionarias (células ES) pluripotentes, derivadas del embrión preimplantacional del ratón, para introducir estas modificaciones en la línea germinal.

Más recientemente, ya en el siglo actual, las nuevas herramientas de edición genética basadas en los sistemas CRISPR/Cas bacterianos han facilitado enormemente la introducción de mutaciones dirigidas en los genes del ratón. Mientras el gene targeting es exclusivo del ratón, la edición genética por CRISPR/Cas es extensible a prácticamente cualquier especie animal o vegetal, abriendo un extenso repertorio de aplicaciones biomédicas y biotecnológicas que serían materia para otro artículo. Los científicos que desarrollaron el “gene targeting” en la última década del siglo pasado; Martin Evans, Mario Capecchi y Oliver Smithies ,y la edición genética por CRISPR/Cas ya en el siglo XXI; Jennifer Doudna y Emmanuel Charpentier, obtuvieron el premio Nobel en Fisiología o Medicina en 2007 y el de Química en 2012, respectivamente, por el impacto de sus logros en el avance del conocimiento.

Además, disponemos de todo un arsenal de herramientas genéticas importadas de microorganismos, bacterias, levaduras, fagos etc., incluido el mismo sistema CRISPR/Cas ya mencionado, que permiten hacer ingeniería genética de precisión in vivo en el ratón, introduciendo modificaciones genéticas de diseño y además ejercer el control sobre en qué momento de su desarrollo o en qué tejido específico se producen o manifiestan estas modificaciones. Esto permite estudiar en el adulto mutaciones que serían letales si estuvieran ya presentes durante el desarrollo embrionario, pudiendo responder a preguntas más precisas sobre cómo funcionan los genes y generar modelos de enfermedad más relevantes para el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas.

Aplicaciones de los ratones modificados genéticamente

La modificación dirigida del genoma del ratón permite estudiar la función de los genes examinando las consecuencias que produce su eliminación. Los llamados ratones “knockout” para un determinado gen carecen de ese gen en particular, pero el resto de su genoma es normal. Su fenotipo proporciona información sobre los procesos para los que ese gen es esencial en el organismo completo.

Dada la relevancia de estos modelos, en 2006 se inició un proyecto a gran escala llamado “International Knockout Mouse Consortium” (IMKC), con financiación pública y con la participación de centros de investigación en Europa, Estados Unidos y Canadá para crear sistemáticamente knockouts en células ES de todos los genes que codifican proteínas, que son aproximadamente 23.000 en el ratón. Como resultado, en cinco años se crearon 17.000 knockouts en células ES. La continuación de esta iniciativa, el “International Mouse Phenotyping Consortium” (IMPC) se lanzó en 2011 y abarca actualmente 21 instituciones y 15 países en todo el mundo. Tiene como objetivo completar la generación de alelos knockout, en células ES o con tecnología CRISPR, así como proporcionar recursos para caracterizar fenotípicamente los modelos generados. Estas iniciativas han proporcionado conocimiento, herramientas e infraestructuras de las que se beneficia la comunidad científica y en última instancia la sociedad.

Pero no sólo es posible eliminar genes en el ratón. Es asimismo posible alterar su lectura de forma precisa generando lo que se llama ratones knockin. Las modificaciones pueden ser muy variadas según el objetivo. Es posible cambiar de forma precisa hasta 1 sola letra, elegida entre los 3 billones de letras que contiene el texto completo del genoma, para reproducir variantes genéticas identificadas en genes humanos y poder estudiar su significado y su relación con determinadas enfermedades, o interrogar el papel a nivel de organismo completo de mutaciones funcionalmente relevantes. Asimismo, podemos insertar genes que codifican moléculas trazadoras de fácil detección por técnicas de imagen molecular, como proteínas fluorescentes para estudiar en qué tejidos y cuándo se expresa un determinado gen. Es posible también “humanizar” el ratón reemplazando algunos de sus genes por los correspondientes genes humanos. Esto ha permitido, por ejemplo, crear modelos de ratón para estudiar la enfermedad COVID-19. El ratón es insensible a la infección por SARS-CoV2 porque contiene una versión del gen Ace2, esencial para la entrada del virus en la célula, diferente a la humana, que no reconoce el virus SARS-CoV2. Su reemplazo por la variante humana o introducir copias extras del gen humano son estrategias utilizadas para hacer al ratón sensible a la infección.

Limitaciones

Aunque la mayoría de los genes tienen la misma función en el ratón y en los humanos, la eliminación o modificación de algunos de ellos puede tener resultados diferentes en ambas especies, debido a la diferente fisiología entre ambas, que influye en el fenotipo resultante. Por ejemplo, mutaciones en el gen p53 están asociadas con más de la mitad de los cánceres humanos y, a menudo, conducen a tumores en un conjunto particular de tejidos. Sin embargo, cuando el gen p53 se elimina en ratones, los animales desarrollan fundamentalmente linfomas y mueren antes de que aparezcan otros tumores. Algo similar ocurre con el gen Rb, cuya inactivación produce retinoblastoma en humanos, mientras que en el ratón da lugar a tumores en la hipófisis. En estos casos, los ratones knockout no representan un verdadero modelo de la enfermedad humana correspondiente, pero aun así proporcionan información muy relevante sobre cómo estos genes funcionan in vivo y de cómo se puede modular o modificar esta función con fines terapéuticos.

Conclusiones

Los ratones modificados genéticamente son uno de los recursos más poderosos disponibles actualmente en investigación biomédica. Del cáncer a los trastornos neurodegenerativos, de la obesidad a las enfermedades infecciosas, todas las ramas de la biomedicina se benefician de ellos. No sólo son cruciales para entender la función de nuestros genes, sino también las bases genéticas de nuestras enfermedades. Permiten crear modelos donde poder ensayar potenciales terapias, evaluando su toxicidad, especificidad y eficacia antes de los ensayos clínicos en pacientes, ahorrando tiempo y dinero y contribuyendo a mejorar el diagnóstico, tratamiento y prevención de las enfermedades. Consideraciones éticas sobre el uso de animales en experimentación han llevado a generar un cierto rechazo en nuestra sociedad hacia estos modelos. Sin duda, debemos dedicar recursos a explorar vías alternativas, pero hoy por hoy estos modelos siguen siendo imprescindibles para el avance de la investigación biomédica.