Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2007 — Capecchi, Evans y Smithies inauguran la era de los ratones con edición genética
Al leer este artículo
El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2007 fue otorgado a tres personas que desarrollaron un método para dirigir y editar genes específicos con precisión en organismos mamíferos vivos: la tecnología de ratones knockout (knockout mouse). Mario Capecchi de la Universidad de Utah (EE. UU.), Martin Evans de la Universidad de Cardiff (Reino Unido) y Oliver Smithies de la Universidad de Carolina del Norte (EE. UU.). Capecchi y Smithies demostraron, de forma independiente, que era posible editar genes específicos en células de mamíferos en una ubicación precisa utilizando la recombinación homóloga (homologous recombination), mientras que Evans estableció por primera vez en el mundo las células madre embrionarias de ratón (ES cell) que permitían dicha manipulación. La combinación de estos tres descubrimientos permitió el nacimiento del primer ratón knockout en 1989 y, desde entonces, durante más de 30 años, se han creado decenas de miles de tipos de ratones knockout por gen, convirtiéndose en la herramienta estándar para la investigación de enfermedades humanas.
Una historia distinta a la creencia común — Se ha vuelto posible editar el código fuente de mamíferos vivos
Cuando se desea conocer la función de un gen específico, hasta mediados del siglo XX, las opciones de los investigadores eran limitadas. Esperar mutantes naturales, inducir mutaciones aleatorias mediante sustancias químicas y luego seleccionar el fenotipo deseado, o expresar e inhibir genes en cultivos celulares. Editar un gen específico en un mamíferio vivo en una ubicación precisa fue un sueño durante mucho tiempo.
Si trasladamos esto al marco de la informática (CS), el peso de este sueño se comprende mejor. El genoma humano y el del ratón son un código fuente de aproximadamente 3.000 millones de pares de bases. Dentro de este, encontrar una función específica —un gen particular— para borrarla con precisión o reemplazarla por otra función, y lograr que el código editado se ejecute de manera estable en todo el organismo vivo. Desde la perspectiva de un editor de texto, es un simple "buscar y reemplazar", pero editar con precisión una posición específica entre 3.000 millones de caracteres en una célula viva era un desafío completamente distinto.
El descubrimiento de Capecchi, Evans y Smithies resolvió este desafío en dos etapas. Primero, la recombinación homóloga: utilizar el protocolo natural que emplea la célula para reparar su propio ADN para reemplazar con precisión el gen en la ubicación deseada por la secuencia que deseamos. Este es el proceso de edición en sí. Segundo, las células madre embrionarias: células progenitoras que pueden propagar la edición a todas las células del cuerpo. La edición iniciada en una sola célula se propaga a todos los tejidos del ratón vivo y se hereda a la siguiente generación. La combinación de estas dos etapas permitió, por primera vez, la edición del código fuente de mamíferos vivos.
El panorama de la época — El año en que apareció el iPhone y colapsó la subprime
En 2007, el mundo se encontraba entre dos grandes acontecimientos. El 9 de enero, Steve Jobs presentó el primer iPhone en la conferencia Macworld, y el 29 de junio se lanzó oficialmente al mercado. Fue el evento que introdujo al público los conceptos de pantalla táctil y smartphone, marcando el momento que definiría las reglas de la futura era de la computación móvil. En noviembre, Amazon lanzó el Kindle, abriendo el mercado de los libros electrónicos. Fue el año inaugural de la revolución de las interfaces de usuario.
Al mismo tiempo, a partir del verano, la crisis de las hipotecas subprime se hizo evidente. Varios fondos de cobertura importantes mostraron signos de quiebra y Bear Stearns comenzó a tambalearse. El preludio de la crisis financiera de 2008 comenzó ese año, y la economía mundial ya percibía las vibraciones de la tormenta que se avecinaba. El superciclo de las materias primas alcanzó su punto máximo y el precio del petróleo se acercó a los 100 dólares por barril.
Corea del Sur vivió un año de agitación. Del 2 al 4 de octubre, el presidente Roh Moo-hyun visitó Pyongyang y celebró la segunda cumbre intercoreana con el presidente de la Comisión de Asuntos Militares, Kim Jong-il. Se publicó la Declaración Conjunta del 10 de octubre, delineando un gran plan para la cooperación económica entre las dos Coreas, pero la mayoría de los proyectos quedaron en suspenso tras el cambio de gobierno. El 19 de diciembre, el candidato Lee Myung-bak ganó las elecciones presidenciales. Marcó el inicio de un gobierno pragmático, y temas como el Gran Canal, la desregulación y las políticas favorables al mercado surgieron como nuevas prioridades.
El 7 de diciembre, el petrolero Hebei Spirit colisionó con una barcaza frente a Taean, provocando un gran derrame de petróleo. Se registró como el peor incidente de contaminación marina en la costa oeste, y durante varios meses se sucedieron imágenes de cientos de miles de voluntarios recogiendo el petróleo negro de la grava y la arena. En este incidente se confirmó nuevamente el carácter distintivo coreano de la movilización ciudadana tras un desastre.
En la comunidad científica, la tecnología de ratones knockout ya se había consolidado como una herramienta estándar a principios de la década de 2000, pero el Premio Nobel llegó a tres personas casi 20 años después del primer ratón knockout en 1989. La lista de modelos de enfermedades y descubrimientos creados con esta tecnología era demasiado extensa, y el Comité del Nobel tardó en decidir a qué nombres otorgar el premio en un momento determinado.
Narrativa de personajes: de un niño de las calles italianas al laboratorio de Utah
La historia de la infancia de Mario Capecchi (1937~ ) es una de las narrativas más dramáticas en la historia de la ciencia del siglo XX. Nació en Verona, Italia, y su madre, Lucy Remberg Capecchi, era una poeta estadounidense. Su madre fue enviada al campo de concentración de Dachau durante la Segunda Guerra Mundial por escribir poesía antinazi, y el joven Capecchi sobrevivió vagando por las calles de Italia como indigente durante cuatro años, a partir de los cinco años. No pudo asistir a la escuela y se encontraba en una situación donde no podía ni siquiera bañarse de forma recurrente. Su madre lo encontró tras el fin de la guerra y ambos emigraron a Filadelfia, Estados Unidos.
El joven prodigio demostró un talento extraordinario al ingresar a la escuela y, tras pasar por la Universidad de Antioquía y la Escuela de Posgrado de Harvard (en el laboratorio de James Watson), se convirtió en profesor de la Universidad de Utah. Su ambiciosa pregunta era si era posible editar con precisión solo genes específicos en células de mamíferos. A finales de la década de 1970, la observación estándar era que, al introducir ADN externo en las células, este se insertaba en una posición aleatoria del genoma. Capecchi se opuso a esto: "Cuando las células reparan su propio ADN, utilizan como referencia secuencias homólogas. Si se inserta en el ADN externo una secuencia homóloga a un gen específico de la célula, la célula podría usarla como referencia e insertarla en la posición correcta".
Los NIH se mostraron escépticos ante esta idea y rechazaron la solicitud de financiación de Capecchi. Sin embargo, él logró obtener otros fondos para continuar sus experimentos y, en 1988, su equipo informó del éxito de la focalización génica mediante recombinación homóloga en células de mamíferos. En retrospectiva, el episodio en el que el comité evaluador de los NIH reconoció este éxito y envió una carta diciendo "Nos equivocamos" se recuerda como un momento que reveló la humildad del sistema de apoyo científico.
Oliver Smithies (1925～2017) nació en Yorkshire, Reino Unido. Obtuvo su licenciatura y doctorado en Oxford, pasó por la Universidad de Wisconsin en Estados Unidos y finalmente se estableció en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill. Smithies era conocido inicialmente por sus estudios sobre la estructura de la insulina y los genotipos, y también fue quien desarrolló el método estándar de electroforesis en gel (gel de almidón). Al llegar a los 60 años, se dedicó a un nuevo problema: la focalización génica mediante recombinación homóloga. Casi al mismo tiempo que Capecchi, pero de forma completamente independiente, Smithies también demostró el principio de esta técnica en células de mamíferos. Las publicaciones de ambos aparecieron en la comunidad científica casi simultáneamente, y el Comité Nobel reconoció conjuntamente estos dos descubrimientos independientes.
Martin Evans (1941~ ) nació en Stroud, Reino Unido. Obtuvo su doctorado en Cambridge y se estableció en la Universidad de Cardiff. Su enfoque era distinto: "¿Cómo se pueden propagar las células editadas a un organismo vivo completo?" La respuesta fueron las células madre embrionarias (embryonic stem cell, ES cell). Estas células, derivadas de la masa celular interna del embrión temprano, son las únicas que pueden diferenciarse en todos los tipos celulares del cuerpo, cultivarse indefinidamente en el laboratorio y, tras ser editadas e implantadas nuevamente en un embrión, integrarse en todos los tejidos de un ratón adulto. En 1981, Evans y su estudiante Matthew Kaufman establecieron por primera vez el método de cultivo de células ES de ratón, y esta línea celular se convirtió posteriormente en una herramienta decisiva para la tecnología de knockout.
El trabajo conjunto de tres personas culminó con el nacimiento del primer ratón knockout en el laboratorio de Capecchi en 1989. Desde entonces, cada uno de los genes humanos relacionados con enfermedades ha sido manipulado en ratones, lo que ha permitido crear decenas de miles de modelos de ratón para la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer, enfermedades cardiovasculares, cáncer, enfermedades autoinmunes y trastornos del desarrollo.
Logros clave — Pipeline de despliegue de edición genética visto desde el framework de CS
Si representamos el proceso de creación de un ratón knockout como un pipeline, se vería así:
- Preparación de la fuente (Targeting vector): Se crea un fragmento de ADN que une secuencialmente la secuencia homóloga 5' del gen diana, el inserto de edición (por ejemplo, un gen de resistencia o una secuencia de interrupción génica) y la secuencia homóloga 3'. Este fragmento actúa como las instrucciones de edición.
- Edición aislada (ES cell targeting): Se introduce este vector en células ES de ratón. La mayoría de las células insertan el vector en una posición aleatoria del genoma, pero algunas células ejecionan la edición en la posición exacta mediante recombinación homóloga, utilizando las secuencias homólogas del vector como referencia. Mediante la selección por gen de resistencia, solo sobreviven las pocas células que han logrado la edición con éxito.
- Verificación (Verification): Se confirma la posición de la edición en las células restantes mediante PCR y Southern blot. Se verifica que la posición deseada se haya editado correctamente y que no se haya insertado en otros lugares. Este es el paso de assertion que determina si la compilación fue exitosa.
- Despliegue (Chimera formation): Las células ES editadas se inyectan en un blastocisto de otro ratón y se implantan en el útero de una madre sustituta. El ratón nacido es una quimera, en la que parte de sus tejidos provienen de las células ES editadas y otra parte del embrión original.
- Transmisión germinal (Germline transmission): Si la edición se refleja en las células germinales de la quimera, algunos de sus descendientes heredarán el gen editado en estado heterocigoto. Al cruzar estos descendientes, nacen ratones knockout homocigotos. Este individuo es el despliegue final en producción que buscábamos.
La esencia de este pipeline es compile-time source editing → sandbox testing → controlled deployment → germline propagation. Se utiliza el protocolo natural celular de la recombinación homóloga para garantizar que las instrucciones de edición se apliquen con precisión solo en la posición específica, y se utilizan las células ES como células ancestrales para permitir que la fuente editada se propague a todo el organismo vivo.
El knockout condicional Cre-loxP es una extensión de esta arquitectura. En lugar de eliminar el gen completo, se insertan secuencias cortas llamadas loxP en ambos extremos del gen y, en el momento deseado, se expresa la recombinasa Cre, lo que provoca la eliminación del segmento de ADN comprendido entre los dos sitios loxP. Funciona como un feature flag que permite eliminar un gen solo en tejidos específicos y en momentos concretos. Es decisiva para estudiar genes esenciales durante el desarrollo embrionario pero que se desea eliminar únicamente en el adulto. Con la consolidación de esta técnica, el alcance de aplicación de los ratones knockout se ha expandido exponencialmente.
También debemos señalar las limitaciones de esta analogía. Los ratones knockout no son un modelo perfecto de las enfermedades humanas. Los ratones y los humanos son especies que divergieron hace 65 millones de años, y el fenotipo resultante de la eliminación de un gen específico puede variar considerablemente entre ambas especies. Un knockout que causa una enfermedad grave en ratones podría provocar solo síntomas leves en humanos, y viceversa. Por lo tanto, los resultados obtenidos con ratones knockout son referencias para comprender la situación humana, pero no son respuestas aplicables directamente a la clínica.
¿Por qué es importante? — Se ha ampliado el horizonte de la comprensión de las enfermedades humanas
En primer lugar, se ha convertido en el estándar para modelos de enfermedades humanas. Durante los últimos 30 años, se han generado decenas de miles de líneas de ratones knockout, y el Consorcio Internacional de Ratones Knockout (IKMC) está llevando a cabo un proyecto para obtener ratones knockout para cada gen del genoma del ratón. El objetivo de este proyecto es observar la función de cada gen en un organismo vivo, lo que constituye un ambicioso intento de completar experimentalmente el propio catálogo de genes.
En segundo lugar, se ha convertido en una herramienta esencial en la cadena de desarrollo de nuevos fármacos. La primera barrera experimental para confirmar si un nuevo objetivo farmacológico potencial realmente causa la enfermedad es el ratón knockout de dicho objetivo. Si al eliminar el objetivo no se induce la enfermedad o, por el contrario, aparecen efectos secundarios inesperados, será necesario revisar la estrategia de desarrollo de fármacos para ese objetivo. La mayoría de los nuevos fármacos del siglo XXI, incluidos palbociclib (historia de CDK de 2001), terapias contra Helicobacter y patisiran (historia de ARNi de 2006), han pasado por la validación con ratones knockout en las etapas iniciales de su desarrollo.
En tercer lugar, se ha completado el mapa de la biología del desarrollo. El método más fiable para responder a la pregunta de qué gen se expresa cuándo y dónde, y qué genes son esenciales para la organogénesis, es el knockout condicional. Durante los últimos 30 años se han trazado con precisión los mapas de desarrollo del corazón, el cerebro, los riñones y el sistema inmunitario, proporcionando las bases teóricas para la medicina regenerativa y la terapia celular. El Premio Nobel de 2012 (Yamanaka y Gurdon, células iPS) se comprende sobre la base de este mapa, y la investigación actual de organoides también se desarrolla sobre esta misma base.
Cuarto, se convirtió en el ancestro conceptual de la tecnología de edición genética. La revolución CRISPR-Cas9 de la década de 2010 consistió en añadir una herramienta de corte mucho más eficiente sobre los principios de la recombinación homóloga. Cuando Cas9 corta el ADN en una ubicación específica, la célula activa la recombinación homóloga para reparar el daño. El protocolo de recombinación homóloga desarrollado por Capecchi y Smithies se reutiliza aquí. Incluso en la era CRISPR, las raíces conceptuales del ratón knockout permanecen en el descubrimiento de estas tres personas en 2007.
Quinto, es la historia humana de la ciencia. El hecho de que Capecchi, quien pasó su infancia en las calles de Italia, haya creado ratones knockout en un laboratorio de Utah y haya recibido el Premio Nobel es una de las narrativas más conmovedoras de la historia de la ciencia de finales del siglo XX. Sus memorias sobre cómo los cuatro años transcurridos entre la separación de su madre a los cinco años y su reencuentro a los nueve dejaron una huella en su vida, y cómo esto lo convirtió en un pionero de la ingeniería genética —que exige una precisión extrema—, ofrecen una reflexión profunda sobre cómo la ciencia se arraiga en la vida humana.
El momento en que pudimos editar el código fuente de los mamíferos vivos mediante ratones knockout, la investigación de enfermedades en la humanidad pasó de la era de la observación a la era de la manipulación. El sexto Premio Nobel de Fisiología o Medicina del siglo consagró a los tres pioneros de este cambio, y las historias que le siguieron —VPH, telómeros, FIV, iPS— se desarrollan todas sobre esta base.
→ Anterior: Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2006 → Siguiente: Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2008