Introduzione alla modifica del genoma CRISPR

Immagina di essere in grado di curare qualsiasi malattia genetica, impedire ai batteri di resistere agli antibiotici, alterare le zanzare in modo che non possano trasmettere la malaria, prevenire il cancro o trapiantare con successo organi di animali nelle persone senza rigetto. Il meccanismo 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 chiamate CRISPR.

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 agiscono come un sistema di difesa contro i virus che potrebbero infettare un batterio. I CRISPR sono un codice genetico suddiviso da "spaziatori" di sequenze di virus che hanno attaccato un batterio. Se i batteri incontrano nuovamente il virus, un CRISPR agisce come una sorta di banca della memoria, facilitando la difesa della cellula.

Scoperta di CRISPR

I CRISPR stanno ripetendo sequenze di DNA.
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La scoperta di ripetizioni di DNA in cluster è avvenuta in modo indipendente negli anni '1980 e '1990 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 immunità acquisita dai batteri. 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 Zhang è stato il primo a pubblicare un metodo di ingegneria dei CRISPR da utilizzare nell'editing del genoma umano e del topo.

Come funziona CRISPR

Il complesso di editing genetico CRISPR-CAS9 da Streptococcus pyogenes: la proteina nucleasi Cas9 utilizza una sequenza di RNA guida (rosa) per tagliare il DNA in un sito complementare (verde).
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In sostanza, il CRISPR presente in natura offre una capacità di ricerca e distruzione delle cellule. Nei batteri, CRISPR funziona trascrivendo sequenze spaziatori che identificano il DNA del virus bersaglio. Uno degli enzimi prodotti dalla cellula (ad esempio, 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 firme virali, i ricercatori personalizzano gli spaziatori 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. Attivare e disattivare un gene rende più facile per gli scienziati studiare la funzione di un gene. Tagliare una sequenza di DNA rende facile sostituirla con una sequenza diversa.

Perché utilizzare CRISPR?

CRISPR non è il primo strumento di modifica genetica nella cassetta degli attrezzi del biologo molecolare. Altre tecniche per l'editing genetico includono nucleasi a dito di zinco (ZFN), nucleasi effettrici simili ad attivatori di trascrizione (TALEN) e meganucleasi ingegnerizzate da elementi genetici mobili. CRISPR è una tecnica versatile perché è conveniente, consente una vasta selezione di obiettivi e può indirizzare luoghi 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 programmi universitari di biologia.

Usi di CRISPR

CRISPR può essere utilizzato per sviluppare nuovi farmaci utilizzati per la terapia genica.
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I ricercatori utilizzano CRISPR per creare modelli cellulari e animali per identificare i geni che causano malattie, sviluppare terapie geniche e progettare organismi per avere tratti desiderabili.

I progetti di ricerca attuali includono:

• Applicazione di CRISPR per prevenire e curare l'HIV, il cancro, l'anemia falciforme, l'Alzheimer, la distrofia muscolare e la malattia di Lyme. Teoricamente, 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
• Riportando mammut lanosi e forse dinosauri e altre specie estinte
• Rendere le zanzare resistenti al parassita Plasmodium falciparum 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 su regolamenti per bilanciare benefici e rischi.

Riferimenti selezionati e ulteriori letture

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