Estirpes de ratones noqueados para descifrar sus genes

E l Proyecto Genoma ha desvelado que el hombre, al igual que otros mam¨ªferos, posee entre 20.000 y 25.000 genes diferentes. Un nuevo reto es comprender la funci¨®n de cada uno de ellos. Ser capaces de generar un rat¨®n knockout en el que un determinado gen es suprimido y ver c¨®mo esto afecta a su fisiolog¨ªa supone una herramienta muy valiosa. Adem¨¢s, como muchas enfermedades hereditarias son debidas a mutaciones que hacen que la prote¨ªna codificada por el gen mutado deje de funcionar correctamente, un rat¨®n knockout de dicho gen constituye un modelo animal de la enfermedad para estudiar por qu¨¦ la p¨¦rdida de funci¨®n del gen acaba desembocando en la patolog¨ªa y para ensayar posibles nuevas terapias. Los cient¨ªficos Mario R. Capecchi [EE UU], Martin J. Evans [Reino Unido] y Oliver Smithies [EE UU] han recibido el Premio Nobel de Fisiolog¨ªa o Medicina precisamente por el descubrimiento del procedimiento para generar estirpes de ratones en las que un determinado gen es modificado gracias al uso de c¨¦lulas madre embrionarias.

En la actualidad, se dispone de versiones de ratones 'knockout' de unos 10.000 genes

Evans fue pionero en conocer las propiedades de las c¨¦lulas madre

Las colecciones de estirpes mutantes de organismos m¨¢s simples, tales como bacterias, levaduras, o incluso insectos como la mosca del vinagre, que tienen ciclos vitales m¨¢s cortos y genomas mucho m¨¢s peque?os que los de los mam¨ªferos, son una herramienta clave y cl¨¢sica en biolog¨ªa. En estos organismos m¨¢s simples es posible introducir mutaciones gen¨¦ticas al azar mediante radiaciones o sustancias qu¨ªmicas que alteran el ADN para despu¨¦s seleccionar estirpes individuales y, finalmente, identificar la mutaci¨®n concreta incorporada en cada estirpe.

En el caso de las bacterias, que tienen un ciclo vital de minutos o de horas, la selecci¨®n de una estirpe entre millones se realiza en una peque?a placa de laboratorio. En el caso de la mosca del vinagre, que tiene un ciclo vital de tres semanas, la selecci¨®n de entre cientos de estirpes se realiza en un tubo de vidrio. Un proceso similar en mam¨ªferos de laboratorio como el rat¨®n, con un ciclo vital de tres a cuatro meses, es inviable tanto desde un punto de vista pr¨¢ctico como econ¨®mico, pues ser¨ªa un proceso muy largo y que requerir¨ªa instalaciones gigantescas para la cr¨ªa de los ratones y la secuenciaci¨®n de sus genomas. Una alternativa para generar ratones knockout de una manera eficiente radica en que, en lugar de introducir mutaciones al azar a lo largo de todo el genoma, esa mutag¨¦nesis se haga apuntando al gen concreto que se quiere modificar o suprimir.

Capecchi y Smithies investigaron la posibilidad de modificar un gen concreto en c¨¦lulas de mam¨ªfero cultivadas in vitro. Para ello, aprovecharon una propiedad inherente de las c¨¦lulas denominada recombinaci¨®n hom¨®loga. Esta desempe?a un papel fundamental en la evoluci¨®n de las especies, pues origina la variabilidad gen¨¦tica que resulta de combinar la informaci¨®n de cada una de nuestras parejas de cromosomas al entrecruzar fragmentos del ADN del cromosoma heredado de la madre y del heredado del padre.

La idea de Capecchi y Smithies consist¨ªa en preparar in vitro un fragmento de cromosoma en cuya posici¨®n central se encuentra la versi¨®n del gen que quer¨ªan que reemplazara a la normal. Cuando introdujeron estos fragmentos de ADN en el interior de c¨¦lulas de mam¨ªfero en cultivo vieron que era posible seleccionar aquellas c¨¦lulas en las que, gracias al proceso de recombinaci¨®n hom¨®loga, el fragmento de ADN ex¨®geno se hab¨ªa insertado en su sitio hom¨®logo del genoma del rat¨®n, reemplazando as¨ª a la secuencia end¨®gena.

Simult¨¢neamente, los trabajos de Evans se centraron en c¨®mo conseguir estirpes de ratones mutantes a partir de embriones en los que introduc¨ªa c¨¦lulas modificadas gen¨¦ticamente (por inserci¨®n de una secuencia ex¨®gena de ADN en una posici¨®n desconocida de sus cromosomas). La clave de los trabajos de Evans radic¨® en el uso de c¨¦lulas madre embrionarias. De hecho, ¨¦l fue uno de los pioneros en conocer las propiedades de estas c¨¦lulas y en establecer las condiciones para su cultivo in vitro de manera indefinida. Estas c¨¦lulas pueden originar todos los tejidos del cuerpo, y Evans comprob¨® que si los ¨®rganos sexuales del rat¨®n resultante se formaban a partir de las c¨¦lulas madre modificadas gen¨¦ticamente, la mutaci¨®n se propagaba a la siguiente generaci¨®n, estableci¨¦ndose as¨ª una nueva estirpe de rat¨®n mutante.

La combinaci¨®n de los hallazgos de Evans y de los de Capecchi y Smithies hizo posible la publicaci¨®n, en 1989, de los primeros ratones en los que un determinado gen hab¨ªa sido sustituido por una versi¨®n nula del mismo. Se trataba de los primeros ratones knockout.

Desde entonces, esta t¨¦cnica se ha implantado en la pr¨¢ctica totalidad de los centros de investigaci¨®n biom¨¦dica de todo el mundo que, a su vez, han tenido que adaptarse para albergar el cada vez mayor n¨²mero de l¨ªneas de ratones knockout generadas.

En la actualidad, se dispone de versiones de ratones knockout de unos 10.000 genes, de las que unas 500 constituyen modelos animales de enfermedades humanas. Adem¨¢s, varios consorcios internacionales persiguen generar l¨ªneas de ratones knockout de los genes restantes y hacer que todas est¨¦n disponibles para la comunidad cient¨ªfica.

En cuanto a la utilidad de esta t¨¦cnica para la investigaci¨®n biom¨¦dica, ya se han mencionado los modelos animales que resultan de noquear los genes responsables de enfermedades hereditarias monog¨¦nicas como la fibrosis qu¨ªstica, muchas formas de hemofilia, la talasemia o la gran mayor¨ªa de las metabolopat¨ªas cong¨¦nitas.

Sin embargo, esta t¨¦cnica tambi¨¦n ha servido para comprender el mecanismo patog¨¦nico de muchas enfermedades m¨¢s complejas como el c¨¢ncer, la hipertensi¨®n, las enfermedades inflamatorias y autoinmunes y las neurodegenerativas, pues permite verificar o descartar el posible rol patog¨¦nico de un determinado gen. As¨ª, por ejemplo, el rat¨®n knockout de un gen que se sospecha que es un supresor de tumores tendr¨ªa que mostrar una mayor susceptibilidad a desarrollar c¨¢ncer. En el caso de las enfermedades neurodegenerativas por priones como la de las vacas locas, se vio que el pri¨®n an¨®malo inoculado no transmit¨ªa la enfermedad a los ratones knockout carentes de la prote¨ªna del pri¨®n end¨®gena, demostrando as¨ª que el pri¨®n infeccioso requiere la presencia de la prote¨ªna pri¨®nica normal a la que le transmite la capacidad patog¨¦nica. Adem¨¢s, la t¨¦cnica ha experimentado mejoras sucesivas que permiten noquear un gen s¨®lo en determinados tejidos o s¨®lo a partir de una determinada edad, lo que ha multiplicado su potencial en investigaci¨®n, tanto b¨¢sica como aplicada.

Jos¨¦ Lucas es investigador cient¨ªfico del CSIC en el Centro de Biolog¨ªa Molecular Severo Ochoa. http://www.cbm.uam.es/lineas/joselucas.htm