La caccia ai tesori molecolari nascosti in funghi e vongole ha portato alla scoperta di proteine simili a CRISPR che possono essere programmate per correggere il DNA umano
“La natura non fa salti”, hanno affermato molti pensatori del passato, ma i genetisti dei giorni nostri possono indicare molte eccezioni alla regola. I trasposoni sono geni mobili per eccellenza e saltano da un punto all’altro del genoma. In particolare quelli associati al sistema OMEGA, scoperto due anni fa nei batteri, si dirigono in punti di atterraggio prescelti grazie a una sorta di GpS programmabile simile a CRISPR. E ora un fenomeno del genere è stato individuato anche negli organismi con cellule dotate di nucleo, i cosiddetti eucarioti di cui fanno parte funghi, piante e animali. Il gruppo di Feng Zhang ha già iniziato a studiare al Broad Institute di Boston il potenziale di questi elementi, detti Fanzor, come strumenti di editing genomico e lo scorso 28 giugno ne ha svelato il funzionamento su Nature.
Gli appassionati di genetica e biotecnologie conoscono bene questo ricercatore di origine cinese, arrivato negli Stati Uniti da bambino e diventato rapidamente una stella scientifica di prima grandezza. Prima ha adattato il sistema Crispr-Cas9 alle cellule degli organismi superiori, tanto che in molti si aspettavano che venisse premiato con una fetta del Nobel assegnato a Jennifer Doudna ed Emmanuelle Charpentier nel 2020. Poi, scoperta dopo scoperta, ha continuato a innovare il settore. Tra gli ultimi contributi ricordiamo, ad esempio, un nuovo vettore di origine batterica che potrebbe rivelarsi utile al posto dei virus per trasportare dentro alle cellule bersaglio le molecole necessarie per la terapia genica.
Il filone di ricerca sui trasposoni, inaugurato dal gruppo a Boston, è particolarmente interessante sia dal punto di vista conoscitivo che applicativo. Le proteine codificate in queste famiglie di geni mobili, infatti, sono molto abbondanti negli esseri viventi, e questo implica che l’attività di taglio del DNA guidata da RNA potrebbe essere ampiamente distribuita nella biosfera. Proprio da questi elementi ancestrali si sarebbero evolute sia le forbici del sistema CRISPR (in batteri e archeobatteri) sia le proteine Fanzor (negli eucarioti). Del sistema Fanzor fanno parte la classe Fz1 e la classe Fz2, ma è soltanto un caso che l’abbreviazione corrisponda alle iniziali del suo scopritore: Feng Zhang.
“Sin dalla scoperta dei sistemi Crispr-Cas, tanti si sono chiesti se negli eucarioti esistesse qualcosa di simile”, ha twittato Feng Zhang, presentando il lavoro in uscita e facendo le congratulazioni ai primi autori dello studio, i postdoc Makoto Saito e Peiyu Xu. I ricercatori hanno isolato Fanzor in funghi, alghe, amebe e persino in una specie di vongola atlantica detta “quahog” e hanno caratterizzato le molecole dal punto di vista biochimico, scoprendo così il primo caso di forbici taglia-DNA facilmente programmabili negli organismi superiori. Nell’immagine di apertura di questo articolo se ne può ammirare la struttura tridimensionale ricostruita con l’aiuto della microscopia crioelettronica, una tecnica che consente di visualizzare la conformazione delle macromolecole a scala quasi-atomica che ha vinto il Nobel per la chimica nel 2017 (le parti in grigio, giallo, azzurro e rosa costituiscono la proteina, l’RNA guida è viola e il DNA bersaglio è rosso).
Fanzor assomiglia, in particolare, alla proteina Cas12 (una variante della proteina più usata nel sistema CRISPR, la Cas9) ma interagisce con la sua molecola guida di RNA in modo più esteso, tanto da far ipotizzare che l’RNA non indichi solo dove tagliare ma faciliti anche la reazione. L’analisi genetica comparativa suggerisce che i geni Fanzor siano migrati dai batteri agli eucarioti per trasferimento orizzontale, quel fenomeno per cui il passaggio di geni può avvenire tra cellule che non hanno legami di discendenza. A dimostrazione del fatto che i confini tra le specie, e persino tra i domini tassonomici, sono più porosi di quanto a molti piaccia pensare. Ma il fenomeno descritto su Nature non rappresenta soltanto una curiosità evoluzionistica. I ricercatori hanno dimostrato che Fanzor può essere programmato in laboratorio per generare inserzioni e delezioni desiderate nel DNA di cellule umane, anche se in modo meno efficiente di CRISPR, e hanno già iniziato a ingegnerizzare il nuovo strumento per migliorarne le prestazioni.
In questo lavoro di perfezionamento, i ricercatori si sono concentrati sulla variante Fz1 del fungo del suolo Spizellomyces punctatus, arrivando a potenziarne l’attività di dieci volte. Un punto di forza del nuovo strumento sta nella sua compattezza, che lo rende più facilmente trasportabile dentro alle cellule: poche centinaia di aminoacidi al posto degli oltre mille della Cas9 o della Cas12. La caccia al tesoro dell’editing, comunque, è destinata a continuare perché, come ha dichiarato Zhang, “sla natura è strabiliante. C’è un’enorme diversità. E probabilmente ci sono altri sistemi RNA-programmabili là fuori, ancora da scoprire”. La cassetta degli attrezzi dell’editing genomico, dunque, potrebbe arricchirsi ulteriormente in futuro, facendo spazio a nuove forbici molecolari inventate dall’evoluzione naturale e affilate in laboratorio dai ricercatori.
