È stata messa a punto una nuova versione del metodo CRISPR che, a differenza del classico Cas9, consentirebbe di silenziare determinati geni all’interno del genoma umano, senza alterare la sequenza del DNA e permettendone di invertire l'effetto, aprendo così la strada allo studio sull'ereditabilità epigenetica.

TAKEAWAY

• Il sistema di editing genomico CRISPR-Cas9 comporta il taglio di filamenti di DNA, portando a mutazioni definitive e permanenti all’interno del materiale genetico della cellula.
• Una nuova tecnica, denominata CRISPRoff, sarebbe in grado, invece, di controllare l’espressione genica, lasciando invariata la sequenza del DNA e consentendo di invertire l’effetto di silenziamento sui geni.
• Tale tecnica potrebbe aiutare i ricercatori a studiare il meccanismo dell’ereditabilità epigenetica, ad oggi questione ancora aperta e nodale in ambito biomedico.

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Il sistema di editing genomico CRISPR Cas9, nel corso dell’ultimo decennio, ha rivoluzionato l’ingegneria genetica, consentendo agli scienziati di apportare modifiche mirate al DNA degli organismi.

Sebbene si tratti di un sistema potenzialmente utile allo studio e al trattamento di una varietà di patologie – tra cui quelle di origine genetica, quelle rare e il cancro – il CRISPR-Cas9 comporta il taglio di filamenti di DNA, portando a mutazioni definitive e permanenti all’interno del materiale genetico della cellula.

Ora, in un documento pubblicato sulla rivista scientifica Cell il 9 aprile 2021, un team di ricercatori descrive una nuova tecnica di editing genomico denominata CRISPRoff, che consente di controllare l’espressione genica con elevata specificità, lasciando invariata la sequenza del DNA.

Sviluppato da Jonathan Weissman, membro del Whitehead Institute, nel Massachusetts; Luke Gilbert, dell’Università della California, a San Francisco; James Nuñez e altri collaboratori del laboratorio di Weissman, il metodo – facente parte di un progetto parzialmente finanziato da una sovvenzione del 2017 dell’Agenzia governativa del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, per creare un editing genomico reversibile – è tanto stabile da poter essere ereditato attraverso centinaia di divisioni cellulari ed è anche completamente reversibile.

Editing genomico CRISPR Cas9: dalle alterazioni permanenti al DNA a un metodo che ne consente la reversibilità

Il classico sistema di editing genomico CRISPR Cas9 utilizza una proteina chiamata, appunto, Cas9, in grado di “tagliare” il DNA. Tale sistema può essere mirato a geni specifici all’interno delle cellule umane, utilizzando un unico RNA guida, in cui le proteine Cas9 creano minuscole interruzioni nel filamento di DNA. Si tratta di alterazioni permanenti della sequenza del DNA.

Ed è su questo punto che il team di ricerca guidato da Jonathan Weissman ha visto un’opportunità per un diverso tipo di editing genomico. Un editing che non altera le sequenze di DNA, ma che cambia il modo in cui queste vengono lette all’interno della cellula.

Questo tipo di modifica è ciò che gli scienziati chiamano “epigenetica“, ossia modifiche sull’attivazione (o sul silenziamento) di determinati geni, ma non sulla loro struttura di base del DNA. I cambiamenti, in questo caso, sono chimici nel filamento di DNA.

In particolare, il silenziamento (o disattivazione) epigenetico funziona attraverso la metilazione (aggiunta di tag chimici a determinati punti del filamento di DNA), che rende il DNA inaccessibile all’enzima deputato alla lettura delle informazioni genetiche.

Per costruire un editor epigenetico in grado di imitare la metilazione naturale del DNA, i ricercatori hanno creato una minuscola “macchina proteica” che consente di attaccare gruppi metilici a punti specifici del filamento. Questi geni vengono quindi silenziati (disattivati), da cui il nome della tecnica “CRISPRoff”.

Poiché, a differenza dell’editing genomico CRISPR Cas9, questo nuovo sistema non altera la sequenza del filamento di DNA, i ricercatori possono invertire l’effetto di silenziamento utilizzando enzimi che rimuovono i gruppi metilici: un metodo che hanno chiamato CRISPRon.

Il potenziale di CRISPRoff quale strumento di terapia e di ricerca

Per studiare il potenziale di CRISPRoff, gli scienziati hanno testato il metodo su alcune cellule staminali pluripotenti indotte, vale a dire su cellule staminali generate artificialmente, in grado di trasformarsi in innumerevoli tipi di cellule nell’organismo, a seconda del cocktail di molecole alle quali vengono esposte.

Nel concreto, è stato scelto un gene per silenziare le cellule staminali, le quali sono state poi indotte a trasformarsi in cellule nervose chiamate neuroni. E quando i ricercatori hanno cercato lo stesso gene nei neuroni, hanno scoperto che era rimasto a tacere nel 90% delle cellule, rivelando che queste conservano il “ricordo”, la traccia, delle modifiche epigenetiche apportate dal sistema CRISPRoff anche quando cambiano tipologia.

Il team ha anche selezionato un gene da utilizzare quale esempio di come CRISPRoff potrebbe essere applicato ad alcune terapie. In particolare, è stato scelto il gene che codifica la proteina Tau, implicata nel morbo di Alzheimer, dimostrando che l’utilizzo di CRISPRoff potrebbe essere in grado di “abbassare” l’espressione di Tau, anche se non del tutto.

Spiega Jonathan Weissman, il quale è anche professore di biologia al Massachusetts Institute of Technology (MIT) e ricercatore presso l’Howard Hughes Medical Institute:

“Quello che abbiamo dimostrato è che CRISPRoff è una strategia praticabile per silenziare la proteina Tau e impedire che questa venga, in parte, espressa. Certo, restano aperte due domande cruciali: come si fa ad applicare questo metodo a un adulto che ha già sviluppato la patologia? E tale metodo è sufficiente a ottenere un impatto positivo sul morbo di Alzheimer”

Sebbene CRISPRoff – considerata la versione 2.0 del sistema di editing genomico CRISPR Cas9 – non porti alla messa a punto di terapie contro l’Alzheimer, esistono molte altre condizioni patologiche alle quali potrebbe potenzialmente essere applicato.

“Se la consegna a tessuti specifici rimane una sfida, abbiamo dimostrato che è comunque possibile distribuirlo in modo transitorio come DNA o RNA, la stessa tecnologia che è alla base di alcuni vaccini contro il coronavirus” prosegue il professor Weissman.

In questo momento, è forte il potenziale di CRISPRoff quale strumento per la ricerca: dal momento che consente di silenziare qualsiasi parte del genoma, è un ottimo mezzo – sottolinea il team – per esplorare la sua funzione.

Inoltre, disporre di un sistema affidabile per alterare l’epigenetica di una cellula, potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere i meccanismi attraverso i quali le modificazioni epigenetiche vengono trasmesse attraverso le divisioni cellulari. E, su tale punto, conclude Weissman:

“Penso che lo strumento che abbiamo sviluppato ci possa permettere di iniziare a studiare il meccanismo dell’ereditabilità, in particolare dell’ereditabilità epigenetica. Che, ad oggi, rimane ancora una questione aperta e nodale nell’ambito delle scienze biomediche“