Projeto engenharia genetica e terapia genica
Reduccion de la Exprecion de Gluten a Través de la Supresion de Genes por
CRISPR/Cas9 y ARNi de γ-gliadinas y ω-gliadinas, en Tritordeum
Ilenia Nava Zambrano
Resumen
El trigo es una planta perteneciente a la familia de las Poaceae e al género
Triticum. Una planta de distribución y cultivo, a nivel mundial, es uno de los alimentos
de mayor importancia y alto consumo en la población, que junto con el maíz y el arroz
son los granos más producidos. La harina de trigo es uno de los ingredientes
alimentarios más importantes y contiene varios nutrientes esenciales, incluidas las
proteínas, como el gluten. El gluten es uno de los principales componentes proteicos del
trigo y está formado por glutenina Además de variar según las especies en estudio, la
importancia de conocer esta proteína es porque a ella se asocian un conjunto de
enfermedades denominadas conjuntamente enfermedades relacionadas con el gluten o
(GRDs) por sus siglas en inglés. Las cuales incluyen la enfermedad celiaca asociada a
los genes HLA-QD2 y QD8, y las sensibilidades no celiacas. El objetivo de este estudio
es la producción de una variedad de trigo que mantenga propiedades parecidas a las del
trigo convencionalmente, con una expresión baja gluten a través de la edición y
silenciamiento génico. También de la represión de los genes de las γ- y ω-gliadinas
localizadas en el brazo corto de los cromosomas 1A, 1B y 1D, por las dos técnicas
descritas CRISPR/Cas9 y ARNi en específico miRNA, para la obtención de trigos con
un menor impacto toxicos para las personas que presentan sensibilidad del tipo celiaca y
no celiaca. La transformación de las semillas del trigo se realizan mediante infecciones
con Agrobacterium tumefaciens cargadoras de plásmidos recombinantes, y biobalísticas
con las secuencias de miARN. Uno de los retos más grandes encontrados en la
modificación de variedades de trigo por métodos de supresión de genes es la dificultad
para identificar subunidades de G–BPM y gliadinas (complejo loci Glu–3, Gli–1).
Plabras clave : edicion genetica, CRISPR/Cas9; gliadinas; recombinantes; celiaca
Introduccion
El trigo es una planta perteneciente a la familia de las Poaceae e al género Triticum,
una planta de distribución y cultivo, a nivel mundial es uno de los alimentos de mayor
importancia y alto consumo en la población, que junto con el maíz y el arroz son los
granos más producidos, para el desarrollo de las plantas de trigo es importante que se
mantenga una temperatura y sequía moderada, su teor proteico es alto, y su evolución
tecnológica proporciono la definición de tipos conforme su uso más adecuado, 90% del
que se produce es el trigo farináceo (Triticum aestivum), 5% se constituye del trigo duro
(Triticum durum) cuya utilización se da para a fabricación de pastas y 5% de otros tipos
(Triticum compactum y otros). ( Manfron. P rew, 1993)
La harina de trigo es uno de los ingredientes alimentarios más importantes y contiene
varios nutrientes esenciales, incluidas las proteínas. El gluten es uno de los principales
componentes proteicos del trigo y está formado por glutenina (codificada en el
cromosoma 1) y gliadina (codificada en los cromosomas 1 y 6) y hay alrededor de cien
genes que lo codifican en el trigo (Rostami-Nejad, M., 2022). Además de variar según
las especies en estudio, la importancia de conocer esta proteína es porque a ella se
asocian un conjunto de enfermedades denominadas conjuntamente enfermedades
relacionadas con el gluten o (GRDs) por sus siglas en inglés.
Las cuales incluyen la enfermedad celiaca es una enfermedad global que se ha
informado en Europa occidental y oriental, América del Norte, América del Sur, Asia,
Oceanía y África, En una revisión sistemática y un metanálisis, se estimó que la
seroprevalencia global y la prevalencia confirmada por biopsia de la ECe eran del 1,4%
y el 0,7%, respectivamente. La seroprevalencia de CeD en los EE. UU. según las
Encuestas Nacionales de Examen de Salud y Nutrición (NHANES) fue del 0,7% y, de
acuerdo con una variedad de estudios de población de todo el mundo, mostró que la
mayoría de los casos permanecen sin diagnosticar en la comunidad (Tye-Din J., 2018).
Es una enfermedad autoinmune, las personas prepuestas presentan los alelos de los
genes HLA-QD2 y HLA-QD8, aun así llevar los genes no implica el desarrollo de la
enfermedad, la detección de la enfermedad se realiza a través de biopsias tomadas del
intestino donde se demuestren vellosidades atrofiadas, hiperplasia de las crestas,
presencia de anticuerpos circundantes específicos, contra la transglutaminasa tisular
(tTG), los péptidos de gliadina desamidados (DGP) y el endomisio (Tye-Din J., 2018).
Además de las complicaciones comunes de la enfermedad, se han realizados estudios
que la asocian a otras enfermedades autoinmunes como la diabetes Tipo 1 y el
hipertiroidismo, y también se asocia a cáncer en el intestino.
Sensibilidad al gluten no celiaca: es una sensibilidad que aún no ha sido 100%
dilucidada, la primera persona en hablar sobre esta sensibilidad fue ellis and linkarde en
1978, y estudios recientes han demostrado que los FODMAPs (oligosacáridos,
monosacáridos, disacáridos y polioles fermentables) y algunas NGP del trigo, como los
ATIs, parecen activar el sistema inmunitario innato y, por lo tanto, desempeñan cierto
papel en la sensibilidad No-celiaca según (Leon, S. 2020).
En la actualidad no existe ningún tipo de tratamiento para la enfermedad celiaca y las
sensibilidades no celiacas, por lo que la única opción recomendable es una dieta libre de
gluten de por vida, algunos estudios realizados recientemente, han demostrado que las
personas con sensibilidad no celiaca pueden llegar a tener una tolerancia (que difiere
para cada persona), al gluten. El aumento creciente de los diagnósticos de estas
enfermedades causan un gran impacto económico en las empresas alimenticias y de
bebidas que contienen gluten como el pan, la cerveza, alimentos que contiene (cebada, y
centeno), también como el aumento en la demanda de alimentos libres de gluten.
El desarrollo de cereales desprovistos de epítopos inmunogénicos es una posibilidad
muy atractiva. Desafortunadamente este objetivo es casi imposible de alcanzar mediante
mejora genética vegetal clásica, debido al alto número de copias de los genes que
codifican para las proteínas del gluten y su elevada complejidad. (Leon, S. 2020). Por lo
que las estrategias que se abordan para este tipo de mejoramiento no son las
herramientas clasicas del mejoramiento vegetal, si no que se abordan tecnicas
biotecnologicas mas modernas, tambien la posibilidad de usar variedades de trigo que
carecen del gen D, el cual fue denominado tritodeum.
Las tecnicas que se han estado intentando abordar para superar las compliaciones que se
han presentado son CRISPR/Cas9, y los ARNi con regiones especificas de
silenciamiento en secuencias especificas para los ARNm de las gliadinas, segun
(Pradanos V., 2012) Los resultados obtenidos muestran que la eliminación de α/βgliadina disminuye la presencia de epítopos que estimulan células T, pero también
afecta negativamente a las propiedades tecnológicas de la harina. Sin embargo, la
reducción de los niveles de γ-gliadina y ω-gliadina/LMW-glutenina mantiene estas
propiedades a la vez que reduce la presencia de epítopos.
CRISPR este sistema fue descrito en 1987 por el investigador de la Universidad de
Osaka Yoshizumi Ishino, como parte del sistema de defensa en bacterias, este sistema
traba junto con la enzima endonucleasa Cas9, su funcionamiento fue descrito más tarde
por francisco mujica en España, donde demostro que CRISPR es usa para el clivaje del
ADN exogeno, la cual es guiada por una secuencia de RNA que se parea con el ADN
alvo, CRISPR está constituida por sistema palíndromico cortas con secuencias de
separación, estos espacios pueden de separación son ocupados por secuencias de los
bacteriófagos que más tarde son usados para el reconocimiento y fabricación de un
ARN guía que será utilizado para la degradación de AND exógeno de secuencia similar
a la del fago con el que estuvo en contacto anteriormente. A partir de estos, CRISPR se
volvió una herramienta de interés en la edición de genes, no solo bacteriano, sino que se
comenzó a usar para la edición de genes de secuencia conocida, induciendo la ligación
con CRISPR para luego obtener el ADN guía para Cas9, y así eliminar, modificar,
mutar, o silencia la secuencia del gen alvo.
Según (Noriega, D. 2016), el ARN de interferencia (ARNi), es una molécula de ARN
de doble cadena, utilizada para suprimir la expresión de genes ampliamente distribuidos
en eucariotas, existen diferentes tipos de ARNi, algunos de ellos son miRNA, siRNA
que presentan un efecto de ribointerferencia impidiendo la traducción de ARNm a
proteínas, estos mecanismos pueden estar presentes de manera endógena en las plantas,
la secuencia de ARNi es complementar idéntica o prácticamente idéntica a la secuencia
de genética alvo, induciendo el corte directamente a través del complejo RISC, actuando
como protector contra patógenos, y transposones. El ARNi se considera una
herramienta biotecnológica eficaz para silenciar la expresión de genes de
microorganismos fitopatógenos (Gamero, M. 2023). En animales este proceso es más
complejo y divergente en el silenciamiento del ARNm alvo.
Materiales y Metodologia
Termociclador
incubadoras,
autoclaves
pipetas
Electroporador
Cartuchos de biolística
Microproyectiles (generalmente
de oro o tungsteno) recubiertos
con el miARN.
Dispositivo de biolística
Tubos de recolección para las
semillas bombardeada
materiales para PCR
Secuencia CRISPR
Enzima Cas9
Plasmido
Tritordeum
miARNs
Promotor
fragmentos de las secuencias de
los genes alvo de γ-gliadina y ωgliadina/LMW-glutenina
Metodos
Inicialmente, la variedad escogida de trigo para la investigación es un cereal derivado
del cruce entre una especie de cebada silvestre y un trigo duro del género Tritordeum,
ya que a diferencia de otros trigos, este posee únicamente los cromosomas AABB,
perdida de los DD por hibridación, por lo que ya presenta una baja expresión de la γgliadina y ω-gliadina, los genes que codifican para estas proteínas pertenecen a los
locus Glu-3 y Glu-1 localizados en los cromosomas 1A y 1B.
La purificación del ADN se realiza por protocolos documentados en (Zerene, M.,2000),
y que fue descrito por Saghai-Maroof et al. (1984).
La secuencias de los microsatélites se obtuvieron a través de la descripción de los
mismos en Zerene M. 2000, los cuales serán usados para la síntesis de las secuencias de
miRNAs en la técnica de silenciamiento, y las secuencias ARNg para el método de
CRISPR/Cas9
locus de γ -gliadina:
F1: 5’ - GCA GAC CTG TGT CAT TGG TC -3’ (20-mer)
R1: 5’ - GAT ATA GTG GCA GCA GGA TAC G -3’ (22-mer)
locus de ω-gliadina o glutenina de bajo peso molecular (LMWG):
P1: 5’ - TCC CGC CAT GAG TCA ATC -3’ (21-mer)
P2: 5’ - TTG GGA GAC ACA TTG GCC -3’ (21-mer)
Estas secuencias son amplificadas por tecnica de PCR, los reactivos usados en la tecnica
de PCR -Taq DNA polimerase (thermo-stable DNA polimerase), - [ ] de Mg2+ e
dNTPs), pode favorecer a interrupção da polimerização, -1-2,5 U/reação de 50 , Em
geral são fornecidas conjuntamente com solução-tampão (composição pode varia com o
fabricante) e Inibidores da enzima Taq: fenol, Proteinase K, Agentes quelantes em
excesso, (EDTA), SDS, elevadas concentrações de sal, primers.
Protocolo básico
DNA molde 10 - 100 ng, dNTPs 200 μM, Primers (cada) 1 – 10 μM, Tampão 50 mM,
MgCl2 2,5 mM, Taq DNA polimerase 1 – 2,5 U.
Después de una denaturación inicial a 94ºC por 5 min, las muestras fueron amplificadas
de acuerdo al siguiente perfil térmico: 30 ciclos de un minuto a 94ºC (denaturación), un
minuto de unión de partidores a 55ºC (partidores F1/R1) o 60ºC (partidores P1/P2), y 2
min de extensión a 72ºC.
Fabricacion de plasmidos para la introduccion de la secuencia genetica de la enzima
Cas9 extraida de Streptococcus pyogenes, y amplificada por PCR, el plamido debe estar
provisto de un promotor, la secuencia de ARNg
5’ - TCC CGC CAT GAG TCA ATC -3 ADN
5’ – AGG GCG GUA CUC AGU UAG 3’ ARNg
Una secuencia marcadora de restincia a antibiotico para diferenciar, y aislar a las celulas
que portaran el plasmido.
Inicialmente se digiere el plasmido con enzimas de restriccion endonucleasa en los
sitios de interes compatibles con la secuencia del gen codificante para Cas9, ARNg y se
juntan con los componentes, que son ligados por una enzima ligasa que compondran el
plamido recombinante de interes.
La amplificacion y maxificacion de los plasmidos es un proceso realizado en bacterias
Agrobacterium tumefaciens las cuales deben ser competentes, los plamisdos se
introducen por electroporacion y se ponen a crecer en medio de cultivo por un tiempo
de 24horas o hasta que alcance la densidad optica adecuada de 0.6 a 0.8 a 600nm, luego
se realiza una caracterizacion por medios electroforeticos.
Infeccion de las semillas de tritordeum
Se mezclan las semillas del trigo de mejor calidad y libre de patogenos con la
suspencion de A. tumefaciens, incubandolas a una temperatura 20-25 grados
temperatura en la que la bacteria tiene una mejor eficiencia de crecimiento, y a una
humedad del 80%.
Las semillas infectadas se dejan crecer en un medio de cultivo con todos los nutrientes
necesarios junto con un antibiotico de seleccion.
ω-gliadina o glutenina de bajo peso molecular (LMWG), por ARNi
identificar las secuencias de ADN que se quieren suprimir
P1: 5’ - TCC CGC CAT GAG TCA ATC -3’
P2: 5’ - TTG GGA GAC ACA TTG GCC -3
ARNm Alvo
P1: AGG GCG GUA CUC AGU UAG
P2: AAC CCU CUG UGU AAC CGG
miARN complementar
P1: UCC CGC CAU GAG UCA AUC
P2: UUG GGA GAC ACA UUG GCC
Luego se amplifican las secuencias de miARN por la tecnica de PCR.
Finalmente la introduccion de los miARN se realiza por biobalistica
Preparación de semillas:
Las semillas de tritordeum deben estar limpias, libres de patogenos y secas antes de
comenzar el proceso.
Se procede a recubrir los microproyectiles con el miARN con oro o tungsteno y se
recúbren con el miARN de ω-gliadina. Esto se logra aplicando una solución de miARN
a las partículas de microproyectiles y dejando que se sequen. Carga los microproyectiles
recubiertos con el miARN en los cartuchos de biolística. Usando una cantidad
específica de microproyectiles para cada disparo. Las semillas se colocaran en un
soporte adecuado (como una placa de Petri) para facilitar la exposición a los
microproyectiles. Fase de bombardeo el soporte con las semillas se coloca en la cámara
de bombardeo, se disparan los cartuchos cargados con microproyectiles recubiertos con
miARN hacia las semillas.
Los microproyectiles penetrarán en las células de las semillas, liberando el miARN en
el interior de las células. Después del bombardeo, se recoge las semillas bombardeadas
y colócalas en un medio de cultivo adecuado para su germinación y crecimiento. Este
medio debe proporcionar los nutrientes necesarios para el desarrollo de las plántulas,
como lo es el medio de cultivo Medio MS (Murashige y Skoog).
Consideraciones finales
Las γ- y ω-gliadinas contienen los epítopos principales y clínicamente más relevantes.
También se denominan epítopos inmunodominantes, ya que la mayoría de los pacientes
con EC que expresan HLA-DQ2. responden a los epítopos, DQ2.5-glia-ω1 y DQ2.5-
glia-ω2 (Jouanin, A, 2020), el objetivo de la represion de los genes de las γ- y ωgliadinas por las dos tecnicas descritas CRISPR/Cas9 y ARNi en especifico miRNA,
para la obtencion de trigos con un menor impacto toxicos para las personas que
presentan sensibilidad del tipo celiaca y no celiaca, segun Rodigo L., 2013, estas líneas
podrían servir de base para tratar otras patologías relacionadas con el gluten como son la
anafilaxis dependiente de ejercicio físico y la sensibilidad al gluten.
En algunos estudios se domostro que las gliadias del tipo γ- y ω pueden ser suprimidos
sin causar grandes alteraciones en las propiedades elasticas del trigo, con tritordeum
sugiere que este nuevo cereal podría ser tolerado al menos por un subconjunto de
pacientes con NCGS que no requieren la exclusión estricta del gluten y que así podrían
beneficiarse de sus mejores propiedades organolépticas y nutricionales. Por lo que la
edicion de los genes es esta especie podria aumentar el rango de personas que puedan
consumirlo.
La tecnica CRISPR/Cas9 no es 100% especifica por lo que se deben realizar las pruebas
de comprovacion para saber si la tecnica se realizo de manera efectiva, y realizar todos
los protocologor de etica y bioseguridad pruebas de laboratorio en cultivos de tejidos
que permitan evaluar las caractericas y reacciones de los tejidos en presencia de los
granos de trigo modificados.
Limitaciones encontradas en la edicion de genes
Uno de los retos mas grandes encontrados en la modificacion de variedades de trigo por
metodos de supresion de genes es la difícultad para identificar subunidades de G–BPM
y gliadinas (complejo loci Glu–3 y Gli–1) en geles de poliacrilamida, en presencia de
dodecil sulfato de sodio, debido a la cantidad de genes (35 a 40) que conforman el loci
Glu–3 hay ligamiento genético entre las G–BPM (locus Glu–3) y (ω–gliadinas (locus
Gli–1), localizadas en el brazo corto de los cromosomas 1A, 1B y 1D.
Cronograma
Actividad tiempo
Escoger semillas de calidad 1 semana
Adecuacion de las semillas 2 semanas
Purificacion de las secuencia y pruebas de pureza 3 semanas
Fabricacion de plasmidos recombinantes 2 semanas
Amplificacion de los plasmidos en A. tumefaciens, 3 semanas
Seleccion de colonias recombinantes 2 semanas
Pruebas de verificacion de plasmidios recombinantes 1 semana
Infeccion de las semillas 1 semana
Crescimiento de las plantulas recombinantes 12 semanas
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