Editing genomico: che cos'è e a cosa serve? Sarà la terapia del futuro?

L’editing genomico è una tecnologia altamente innovativa che funziona come un “correttore di bozze” del DNA: interviene in maniera precisa per trovare e correggere gli errori genetici all’interno dell’intero genoma. Molti considerano l’editing genomico come la terapia genica del futuro, visto che permetterebbe di correggere un gene difettoso direttamente là dove si trova senza doverne fornire una copia sana dall’esterno.

UNA TECNICA DA NOBEL: CRISPR

La vera rivoluzione in questo campo è arrivata nel 2012 con la scoperta del sistema Crispr-Cas9, che ha messo in secondo piano i sistemi di editing denominati nucleasi a dita zinco (zinc-finger nucleases), meganucleasi e TALEN che erano stati utilizzati fino ad allora dai ricercatori di tutto il mondo. CRISPR ha dimostrato, fin da subito, una potenzialità e una versatilità fino a poco prima inimmaginabili: qualunque tipo di cellula vegetale, animale, inclusa quella umana, può essere modificata geneticamente e la correzione può avvenire anche per un singolo errore, e ovunque nel genoma. Inoltre, questa tecnica è facile da utilizzare, veloce ed economica, tutti fattori che contribuiscono ad ampliarne le potenzialità in ambito terapeutico. Una rivoluzione che ha premiato le sue scopritrici e autrici dell'ormai famoso studio pubblicato su Science nel 2012Emmanuelle Charpentier, Direttrice del Max Planck Unit for the Science of Pathogens a Berlino, e Jennifer A. Doudna, Professoressa all’University of California (Berkeley) - a vincere il Premio Nobel per la Chimica 2020 per lo “sviluppo di un metodo di editing genomico” basato su CRISPR.

CRISPR è l’acronimo di “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”, ovvero sequenze geniche che si ripetono a intervalli regolari. A CRISPR sono associati i geni Cas ("CRISPR associated", da cui deriva "Crispr-Cas9") che codificano enzimi capaci di tagliare il DNA. Il DNA non viene tagliato in modo casuale, ma in un punto preciso grazie alla presenza di un RNA guida.

Questo sistema è stato originariamente scoperto nei batteri, nei quali agisce come arma di difesa contro i virus - un po' come il sistema immunitario umano - e funziona in maniera molto semplice ma con grande efficienza. Il sistema CRISPR si basa sulla combinazione di due elementi: un enzima Cas e un RNA guida che si appaia al DNA del virus per indicare a Cas il punto in cui tagliare. Come nel caso della terapia genica, anche la strategia di editing basata su CRISPR può essere somministrata in vivo (direttamente nell'organismo) o ex vivo (all'esterno, su cellule vive prelevate dell'organismo).

Ad oggi la ricerca nell’ambito dell’editing genomico spazia dalle malattie genetiche, in particolar modo quelle rare (come la distrofia muscolare di Duchenne, la beta-talassemia e la fibrosi cistica), ai tumori, passando per le malattie neurologiche (Alzheimer e Parkinson), fino alle malattie infettive (HIV). L’utilizzo di CRISPR è inoltre in studio nel campo degli xenotrapianti, in particolare degli organi suini, per la terapia di malattie umane.

MIcrofluidic Cell Sorting

Unire CRISPR con l’identificazione delle cellule tramite mini biomagneti per rivelare nuovi bersagli farmacologici per il cancro e la medicina rigenerativa

Gli screening genomici delle cellule servono per identificare i principali regolatori genetici di un determinato fenotipo (cioè l’insieme delle caratteristiche che un organismo manifesta) di interesse e le eventuali mutazioni, o segnali, inserite dai ricercatori per riconoscerle. Tuttavia, il processo richiede l’analisi di un gran numero di cellule, cosa che aumenta i tempi operativi e limita la vitalità delle cellule stesse. Un dispositivo portatile simile a un chip, che sfrutta dei minuscoli magneti per individuare le cellule in cui Crispr-Cas9 ha introdotto la modifica voluta, potrebbe essere la soluzione. Si tratta del MICS (MIcrofluidic Cell Sorting), un metodo che coniuga ingegneria e genetica, e che permetterà ai ricercatori di accelerare i tempi di analisi del genoma e delle proteine per trovare nuovi obiettivi farmacologici. Lo studio, pubblicato a fine settembre su Nature Biomedical Engineering, è stato condotto presso la l’Università di Toronto.

Sequenza DNA

Innovativa e applicabile in diversi ambiti, in poco tempo è diventata la tecnica di editing genomico più utilizzata nei laboratori. Ma come siamo passati dai batteri a correggere malattie genetiche?

Sono ormai 7 anni che fa parlare di sé e, quasi quotidianamente, una nuova ricerca con CRISPR come protagonista viene pubblicata sulle maggiori riviste scientifiche del mondo. Le novità e i perfezionamenti di questa tecnica di editing genomico sono continui, dato che ormai non c’è laboratorio al mondo che non l’abbia utilizzata almeno una volta. Infatti, CRISPR è cinque volte più utilizzato di qualsiasi altro strumento di editing genomico (Fonte: Cell Trials Data). Il 21 ottobre è stato pubblicato su Nature un articolo che descrive il ‘prime editing’, un nuovo metodo di editing genomico basato su CRISPR che permetterebbe di avere più controllo sulle correzioni, più precisione e flessibilità.

UOC Genetica Medica di Siena

Grazie ai 20mila euro raccolti dall'associazione, lo staff della prof.ssa Alessandra Renieri potrà verificare l'efficacia di un approccio con la tecnologia Crispr-Cas9

Siena – Meno di un anno per fondare un'associazione, raccogliere 20mila euro e finanziare l'avvio di una ricerca per una malattia rarissima, la sindrome IQSEC2: se non è un record, sicuramente è un caso interessante da studiare. Ci sono riuscite tre mamme, per amore delle loro figlie Annalisa, Matilde e Alessandra, fra i 7 e i 9 anni: dopo tanti dubbi e sofferenze, nel novembre 2018 hanno deciso di fondare l'associazione AMA.le IQSEC2, per combattere questa malattia che conta poco più di cento casi diagnosticati nel mondo, e meno di dieci in Italia.

batteri

CRISPR si è evoluto nei batteri, come arma di difesa dalle infezioni virali. Ma ora i ricercatori stanno puntando la stessa arma contro i batteri stessi, nella speranza di sventare una delle minacce più gravi per la salute globale: la resistenza agli antibiotici.

Un passo avanti in questa direzione arriva con il lavoro pubblicato su Nature Communications da un gruppo canadese della Western University, che descrive un sistema specifico ed efficiente per alterare il microbioma umano con l’aiuto di CRISPR.
La resistenza agli antibiotici è stata proclamata un’emergenza mondiale dall’Organizzazione Mondiale della Sanità. Pochi numeri bastano a rendere l’entità della sfida. I batteri resistenti uccidono 700.000 persone ogni anno e la situazione è destinata a peggiorare. Si stima che nel 2050 il fenomeno potrebbe costare al mondo 100 trilioni di dollari e 10 milioni di vite. L’Italia, purtroppo, non è un’isola felice. Secondo l’Istituto Superiore di Sanità, anzi, i nostri dati sono peggiori della media europea.

Cellule staminali del sangue

Ricorrendo a Crispr-Cas9 i ricercatori hanno modificato un sottogruppo di staminali ematopoietiche per aumentare la produzione di emoglobina fetale. Questo approccio potrebbe rivelarsi importante per curare anemia falciforme e beta-talassemia

Si potrebbe quasi asserire che l’universo delle emoglobinopatie non abbia confini. Sebbene, infatti, patologie come la beta-talassemia o l’anemia falciforme siano monogeniche (originino cioè da mutazioni a danno di un unico gene) la complessità del loro quadro genetico è elevatissima. La cifra comune della beta-talassemia e dell’anemia falciforme è data dai disordini nella produzione di emoglobina, con tutte le complicazioni - ad esempio gravi anemie - che ciò comporta.
I tentativi di correggere il difetto che sta alla base di tali emoglobinopatie con l’editing genomico sono molti e alcuni fanno perno proprio sulla persistenza nell’organismo dell’emoglobina fetale, una versione dell’emoglobina prodotta dal feto e che, di norma, si esaurisce poco dopo la nascita. Tuttavia, quando essa continua ad essere prodotta in pazienti con anemia falciforme o beta-talassemia (si parla di persistenza ereditaria dell’emoglobina fetale) l’insieme dei sintomi delle due patologie si attenua.

Le tecniche di trasporto dei sistemi di editing hanno ancora dei limiti, ma i risultati potrebbero migliorare grazie all’utilizzo di nanocapsule sintetiche

Per modificare un gene, la tecnologia di editing Crispr-Cas9 deve essere consegnato all’interno della cellula in modo sicuro ed efficiente. Il metodo attualmente più diffuso si basa sui vettori virali, che da un lato sfrutta le utili caratteristiche tipiche dei virus di invasione e utilizzo della cellula per la produzione di nuove copie del materiale genetico contenuto al suo interno; dall’altro bisogna considerare le risposte immunitarie indesiderate e le problematiche relative alla consegna del carico in alcune specifiche cellule e tessuti. Un gruppo di ricercatori della University of Wisconsin-Madison ha cercato un’alternativa e sembrerebbe averla trovata in minuscole e personalizzabili nanocapsule sintetiche. Lo studio, pubblicato a settembre su Nature Nanotechnology, descrive questo innovativo mezzo di trasporto per il sistema binario di editing genomico, più precisamente per la nucleasi Cas9 e per l’RNA guida.

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