Introduzione all'editing del genoma CRISPR

Che cos'è CRISPR e come viene utilizzato per modificare il DNA

CRISPR/Cas è un complesso di editing genetico utilizzato nella terapia genica e come strumento diagnostico. PASIKA / Getty Images

Immagina di poter curare qualsiasi malattia genetica, prevenire batteri daresistere agli antibiotici, alterare le zanzare in modo che non può trasmettere la malaria , prevenire il cancro o trapiantare con successo gli organi di animali nelle persone senza rigetto. La macchina molecolare per raggiungere questi obiettivi non è roba da romanzo di fantascienza ambientato in un lontano futuro. Questi sono obiettivi raggiungibili resi possibili da una famiglia di Sequenze di DNA chiamati CRISPR.

Che cos'è CRISPR?

CRISPR (pronunciato 'crisper') è l'acronimo di Clustered Regularly Interspaced Short Repeats, un gruppo di sequenze di DNA presenti nei batteri che fungono da sistema di difesa contro i virus che potrebbero infettare un batterio. I CRISPR sono un codice genetico suddiviso da 'distanziatori' di sequenze di virus che hanno attaccato un batterio. Se i batteri incontrano di nuovo il virus, un CRISPR agisce come una sorta di banca di memoria, rendendo più facile la difesa della cellula.

Scoperta di CRISPR

I CRISPR stanno ripetendo sequenze di DNA. Andrew Brookes / Getty Images

La scoperta di ripetizioni di DNA raggruppate è avvenuta indipendentemente negli anni '80 e '90 da ricercatori in Giappone, Paesi Bassi e Spagna. L'acronimo CRISPR è stato proposto da Francisco Mojica e Ruud Jansen nel 2001 per ridurre la confusione causata dall'uso di diversi acronimi da parte di diversi gruppi di ricerca nella letteratura scientifica. Mojica ha ipotizzato che i CRISPR fossero una forma di batteri immunità acquisita . Nel 2007, un team guidato da Philippe Horvath lo ha verificato sperimentalmente. Non passò molto tempo prima che gli scienziati trovassero un modo per manipolare e utilizzare i CRISPR in laboratorio. Nel 2013, il laboratorio di Zhang è stato il primo a pubblicare un metodo di ingegnerizzazione dei CRISPR da utilizzare nell'editing del genoma umano e del topo.

Come funziona CRISPR

Il complesso di modifica genica CRISPR-CAS9 di Streptococcus pyogenes: la proteina nucleasi Cas9 utilizza una sequenza di RNA guida (rosa) per tagliare il DNA in un sito complementare (verde). BIBLIOTECA FOTOGRAFICA MOLEKUUL/SCIENZA / Getty Images

In sostanza, il CRISPR presente in natura fornisce una capacità di ricerca e distruzione cellulare. Nei batteri, CRISPR agisce trascrivendo sequenze di spaziatori che identificano il DNA del virus bersaglio. Uno degli enzimi prodotti dalla cellula (ad es. Cas9) si lega quindi al DNA bersaglio e lo taglia, disattivando il gene bersaglio e disabilitando il virus.

In laboratorio, Cas9 o un altro enzima taglia il DNA, mentre CRISPR gli dice dove tagliare. Invece di utilizzare le firme virali, i ricercatori personalizzano i distanziatori CRISPR per cercare i geni di interesse. Gli scienziati hanno modificato Cas9 e altre proteine, come Cpf1, in modo che possano tagliare o attivare un gene. Spegnere e riaccendere un gene rende più facile per gli scienziati studiare la funzione di un gene. Il taglio di una sequenza di DNA semplifica la sua sostituzione con una sequenza diversa.

Perché usare CRISPR?

CRISPR non è il primo strumento di modifica genetica nella cassetta degli attrezzi del biologo molecolare. Altre tecniche per l'editing genetico includono le nucleasi a dito di zinco (ZFN), le nucleasi effettrici simili all'attivatore della trascrizione (TALEN) e le meganucleasi ingegnerizzate da elementi genetici mobili. CRISPR è una tecnica versatile perché è conveniente, consente un'ampia selezione di bersagli e può mirare a posizioni inaccessibili a determinate altre tecniche. Ma il motivo principale per cui è un grosso problema è che è incredibilmente semplice da progettare e utilizzare. Tutto ciò che serve è un sito target di 20 nucleotidi, che può essere realizzato costruendo una guida . Il meccanismo e le tecniche sono così facili da capire e da usare che stanno diventando standard nei curricula universitari di biologia.

Usi di CRISPR

CRISPR può essere utilizzato per sviluppare nuovi farmaci utilizzati per la terapia genica. DAVID MACK / Getty Images

I ricercatori utilizzano CRISPR per creare modelli cellulari e animali per identificare i geni che causano malattie, sviluppare terapie geniche e progettare organismi in modo che abbiano tratti desiderabili.

I progetti di ricerca attuali includono:

• Applicare CRISPR a prevenire e curare l'HIV , cancro, anemia falciforme, Alzheimer, distrofia muscolare , e la malattia di Lyme. In teoria, qualsiasi malattia con una componente genetica può essere trattata con la terapia genica.
• Sviluppo di nuovi farmaci per il trattamento della cecità e delle malattie cardiache. CRISPR/Cas9 è stato utilizzato per rimuovere una mutazione che causa la retinite pigmentosa.
• Estendere la durata di conservazione degli alimenti deperibili, aumentare la resistenza delle colture a parassiti e malattie e aumentare il valore nutritivo e la resa. Ad esempio, un team della Rutgers University ha utilizzato la tecnica per rendere l'uva resistente alla peronospora .
• Trapianto di organi di maiale (xenotrapianto) nell'uomo senza rigetto
• Riportare indietro mammut lanosi e forse dinosauri e altre specie estinte
• Rendere resistenti le zanzare al Plasmodium falciparum parassita che causa la malaria

Ovviamente, CRISPR e altre tecniche di modifica del genoma sono controverse. Nel gennaio 2017, la FDA statunitense ha proposto linee guida per coprire l'uso di queste tecnologie. Anche altri governi stanno lavorando a regolamenti per bilanciare benefici e rischi.

Riferimenti selezionati e ulteriori letture

• Barrangou R, Fremaux C, Deveau H, Richards M, Boyaval P, Parrot S, Romero DA, Horvath P (marzo 2007). 'CRISPR fornisce resistenza acquisita contro i virus nei procarioti'. Scienza . 315 (5819): 1709–12.
• Horvath P, Barrangou R (gennaio 2010). 'CRISPR/Cas, il sistema immunitario dei batteri e degli archei'. Scienza . 327 (5962): 167–70.
• Zhang F, Wen Y, Guo X (2014). 'CRISPR/Cas9 per l'editing del genoma: progressi, implicazioni e sfide'. Genetica Molecolare Umana . 23 (R1): R40–6.