EL SISTEMA INMUNE DE VIRUS Y BACTERIAS

Aunque parezca insólito, los virus y las bacterias poseen un método de defensa contra agentes extraños o invasores que puedan dañarlos, así como nosotros tenemos un sistema inmune para evitarlos.  La forma en la que lo hacen es un símil de lo que pasa con la inmunidad adquirida en vertebrados, es decir la generación de un sistema de defensa como resultado de exposiciones previas a microorganismos patógenos que le permiten reconocer y recordarlos en sucesivas infecciones.

 

SISTEMA INMUNE EN BACTERIAS

Para entender este mecanismo debemos empezar diciendo que existen virus llamados fagos que pueden infectar a las bacterias, al hacerlo pueden ocurrir dos cosas: que se introduzca en las bacterias por un tiempo indefinido sin provocarle daño (se inserta en su genoma), pero que eventualmente lo afectará o que provoque su muerte inmediatamente haciéndola explotar (el término correcto es lisar) (Ver animación).

 

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El objetivo del fago es inyectar su material genético provocando la replicación de más virus. Únicamente entra a la bacteria el material genético del fago, el “cuerpo” del virus conocido como cápside queda fuera de la célula Fig. 1.

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Fig. 1. Representación de un fago inyectando su material genético (DNA) en una bacteria. Tomado de: http://bit.ly/2a5BGeF

Existen diversos mecanismos de defensa que emplean las bacterias contra los fagos como: prevenir que se adsorban en su superficie y con esto impedir que inyecten su genoma o, provocar una  infección abortiva dónde la bacteria se sacrifica (disparando mecanismos para su propia muerte) para prevenir la propagación del fago. Si a pesar de esto el fago entra e inyecta su material genético las bacterias tienen otra oportunidad de sobrevivir mediante un sistema de inmunidad llamado sistema CRISPR (en inglés Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, en español  repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas) [1].

 Aunque parezca un nombre impronunciable, de  forma general, este sistema lo que hace es algo sencillo: almacenar secuencias cortas del  material genético del fago e insertarlos en el genoma de la bacteria, de tal forma que le sirva como una memoria inmune para que durante una nueva infección de cepas del mismo fago, la bacteria sea capaz de reconocer el DNA intruso y destruirlo.

Este DNA viral no se inserta en cualquier sitio del genoma de la bacteria, sino que  se integra en el locus (una posición fija en un cromosoma) CRISPR. Este locus tiene un  arreglo con las siguientes características [2] Fig.2:

  • Secuencias palindrómicas cortas repetitivas que están intercaladas por: Secuencias cortas denominadas espaciadores, las cuales son secuencias de origen viral es decir son el material genético del fago que infecta a la bacteria. Estos espaciadores son el centro de defensa y son los que especifican la inmunidad.
  • Este arreglo de secuencias repetidas/espaciadores son flanqueadas por genes asociados a CRISPR (cas: CRISPR-associated) que codifica para proteínas necesarias para llevar a cabo la inmunización. Estas proteínas transportan dominios funcionales de nucleasas (cortan el enlace de los ácidos nucleicos), helicasas (abren el dúplex de DNA), etc.  CRISPR en combinación con las proteínas cas forman el sistema CRISPR-cas.
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Fig. 2. Representación del locus CRISPR-cas que está integrado por DNA repetido y en forma de palíndromo (se lee igual de izquierda a derecha por ejemplo CGC), separado por secuencias espaciadores que provienen del DNA de los fagos. Contiguo a estas secuencias se encuentran los genes cas que codifican para proteínas necesarias para la inmunidad de la bacteria.

Durante la infección por un fago, las bacterias que sobreviven alteran su locus CRISPR incorporando nuevas secuencias espaciadores, es decir, cada nueva infección proporciona un nuevo espaciador. El sistema CRISPR es tan efectivo que es capaz de memorizar y atacar discriminadamente a los invasores.

La forma en la que se lleva a cabo este sistema inmune se divide en dos etapas [2]:

1) INMUNIZACIÓN O ETAPA DE ADAPTACIÓN

La inmunización se obtiene cuando se captura el DNA del virus y se integra al locus CRISPR en forma de un nuevo espaciador. Cuando se integra la secuencia del virus al genoma de la bacteria se dice que la bacteria ya está inmunizada.

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Fig. 3. La inmunidad hacia el fago se obtiene cuando éste inyecta su DNA en la bacteria y las proteínas cas cortan un fragmento del DNA y lo integran al genoma de la bacteria. A este DNA integrado se le llama espaciador.

2) EJECUCIÓN DE LA INMUNIDAD (Utilización de los espaciadores)  

Este paso ocurre cuando otro fago de la misma cepa que generó la inmunidad ataca nuevamente a la bacteria e inyecta su DNA. Para que este DNA intruso sea eliminado se requieren las siguientes etapas:

  1. Biogénesis del RNA guía. Es necesario que los fragmentos de DNA insertados en el cromosoma de la bacteria (o espaciadores) sean copiados en una molécula de RNA (para entender esto recordar el flujo de información genética explicado en la Fig. 4.) De esta manera se forman RNAs cortos que contienen la secuencia del espaciador y son llamados crRNAs (CRISPR RNAs).
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Fig. 4. Flujo de la información genética

  1. Fase de blanco. Este crRNA es el que guía a las proteínas cas hacia el DNA viral, con el fin de dirigir su corte y provocar su destrucción.

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    Fig. 5. Cuando la bacteria se encuentra inmunizada, la entrada de DNA de un virus que anteriormente la infectó es reconocido por complementariedad y es destruido.

SISTEMA INMUNE EN VIRUS GIGANTES: EL SISTEMA MIMIVIRE

Este descubrimiento se hizo en un tipo de virus gigante conocido como mimivirus, se trata de virus tan grandes que pueden ser observados bajo un microscopio óptico Fig. 6.  Al igual que las bacterias, los mimivirus pueden ser infectados por virus denominados virófagos (¡virus que infectan virus!) [3] [4].

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Fig. 6. Izquierda: micrografía de un mimivirus, su tamaño es tan grande como el de una bacteria, estos virus infectan a amibas. Tomado de robewiki.kenyon.edu. Derecha: representación artística del mimivirus. Tomado de: http://www.australianscience.com.au

En 2014 se encontró un virófago denominado Zamilon que puede infectar a los linajes B y C de la familia del mimivirus, pero no a los del linaje A [5]. Este hecho particular hizo pensar a los investigadores que quizá aquellos linajes resistentes a la infección del virófago posiblemente poseían un sistema de defensa similar al descrito en bacterias (el sistema CRISPR-cas) [3].

Para corroborar esto, los investigadores analizaron el genoma de 60 cepas de mimivirus en busca de secuencias que se emparejaran (es decir similares) con las del virófago. Encontraron que únicamente el linaje A (resistente), contenía en una región de su genoma una secuencia repetida del genoma de Zamilon. A esta región la denominaron Elemento de Resistencia al Virofago de Mimivirus (mimivirus virophage resistance element: MIMIVIRE). Así mismo, adyacentes a estas secuencias encontraron genes que codifican proteínas que pueden degradar y abrir el DNA, al igual que el sistema CRISPR-cas en bacterias Fig. 7.  Al bloquear el sistema MIMIVIRE, dichas cepas resistentes se vuelven susceptibles al ataque de Zamilon [4].

Como pudieron darse cuenta este sistema MIMIVIRE  recuerda a lo que ya se habló sobre el sistema CRISPR-cas: insertar DNA del virus infectivo en el genoma del hospedero con el fin de crear una memoria inmune. Este proceso en mimivirus aún se encuentra en estudio, por lo que todavía no se conoce tanto como el sistema CRISPR-cas de bacterias.

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Fig. 7. El sistema MIMIVIRE posee similitudes con el sistema CRISPR-cas de bacterias, ya que también posee parte de una secuencia del patógeno integrado en el genoma del hospedero, en este caso parte de la secuencia del virófago zamilon se inserta en el genoma del mimivirus.

IMPORTANCIA

El descubrimiento de este sistema inmune en bacterias (aunque no se mencionó también el sistema CRISPR-cas se ha descrito en arqueas), es un ejemplo maravilloso de como la ciencia básica puede llegar a tener aplicaciones muy importantes. Los científicos han copiado este proceso biológico y actualmente, el sistema CRISPR-cas se ha convertido en la herramienta molecular más eficiente para editar, corregir y alterar genes de cualquier célula, de una manera mucho más sencilla y precisa que lo que se obtenía con procedimientos anteriores.

En este proceso lo que se hace es diseñar un RNA guía que,  al asociarse con la proteína Cas9, corta en un lugar específico de DNA (por ejemplo para corregir errores genéticos asociados a una enfermedad). Con este corte, en la cadena de DNA se genera un hueco  que puede rellenarse insertando la secuencia correcta de DNA (nosotros le damos a la célula la secuencia que queremos se integre en el DNA) [6].

La tecnología CRISPR-cas9 inaugura una nueva era de ingeniería genética cuyas aplicaciones son inmensas, desde estudios de ciencia básica (de funcionalidad de genes por ejemplo) hasta aplicaciones en terapia génica.

A pesar de estos beneficios, también surgen nuevas implicaciones éticas y sociales de su uso, sobre todo en la negativa de modificar células reproductivas o embriones humanos.

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Fig. 7. Los comités de ética quieren evitar que la tecnología CRISPR-cas9 se empleé para editar a seres humanos en un intento de eugenesia. Modificado de s-media-cache-ak0.pinimg.com

Solamente podemos concluir que es este sistema es una técnica poderosa que debe ser usada con mesura y de forma controlada.

GLOSARIO

Arquea: Organismo unicelular carente de núcleo, parecidos a las bacterias, pero con características tan únicas (tipo de pared celular, modo de alimentación, hábitat) que son consideradas una forma más de vida en la Tierra.

Fuentes de consulta

[1] Horvath P. and Barrangou R (2010) CRISPR/Cas, the Immune System of Bacteria and Archaea. Science. 327: 167-170

[2] Marraffini L (2015) CRISPR-Cas immunity in prokaryotes. Nature. 526:55-61.

[3] Callaway E (2016) CRISPR-like ‘immune’ system discovered in giant virus. Nature news. Fecha de consuta: 11 de junio de 2016. http://www.nature.com/news/crispr-like-immune-system-discovered-in-giant-virus-1.19462

[4]  Levasseur et al., (2016). MIMIVIRE is a defence system in mimivirus that confers resistance to virophage. Nature. 531: 249-252.

 [5] Gaia et al., (2014). Zamilon, a Novel Virophage with Mimiviridae Host Specificity. Plos one 9(4):1-8.

[6] What is CRISPR-Cas9? Fecha de consulta: 14 de junio de 2016. Disponible en: http://www.yourgenome.org/facts/what-is-crispr-cas9

 

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