How the genome editor works

No, non è tutto chiaro, bisogna essere almeno biologi molecolari per capire "come si fa"! La tecnica CRISPR è potente e viste le sue potenzialità la comunità scientifica è molto attenta a come viene utilizzata. Chi la usa in maniera errata non seguento le regole della comunità, viene estromesso dal mondo scientifico.
Impariamo qui da dove viene questa tecnica, storia affascinante dal punto di vista biologico, e scopriamo una delle sue ultime applicazioni genetiche d'avanguardia.
Nel regno dei batteri e degli archeobatteri queste corte ripetizioni palindrome regolarmente spaziate e raggruppate (questo è il significato di CRISPR!) e le proteine CAS9 costituiscono il sistema immunitario adattativo contro i batteriofagi, i virus che attaccano i batteri. La scoperta di questo sistema è stata una rivoluzione in immunologia, perché fino a poco tempo fa si pensava che un sistema immunitario adattativo fosse una prerogativa dei soli vertebrati. Sistema immunitario adattativo significa che riconosce l'organismo patogeno dopo la prima infezione. Se vi ricordate, le nostre cellule della memoria e gli anticorpi hanno proprio questa funzione. Nei batteri tutto ciò avviene in tre tappe: adattamento, biosintesi del cosiddeto crRNA (CRISPR RNA) e interferenza. Vediamo come queste tre fasi permettono ai batteri di avere memoria delle infezioni passate. Durante la fase dell'adattamento, l'acido nucleico del virus che è entrato nella cellula viene selezionato, modificato e integrato in questa porzione del genoma batterico che si chiama "CRISPR array". Questo locus (che è il termine genetico per indicare una specifica sequenza del genoma) è formato da ripetizioni identiche che si alternano a spaziatori unici. Questi spaziatori sono proprio la copia dei genomi di batteriofagi che in passato hanno infettato il batterio! Nella fase di adattamento, quindi, il batterio copia il genoma del virus e lo inserisce in questo locus. Nel momento in cui lo stesso batteriofago infetta di nuovo la cellula batterica, il suo acido nucleico stimola la produzione di un lungo precursore di RNA, il crRNA, che contiene la copia del genoma del virus, ma anche la sequenza della proteina CAS9, un'endonucleasi che taglia il DNA. Le copie del DNA virale riconoscono per complementarietà il genoma del virus appena entrato (fase dell'interferenza) e la proteina CAS9 lo digerisce, impedendo così al virus di replicarsi all'interno della cellula ospite. Il sistema CRISPR ha anche un meccanismo per evitare errori e la digestione di RNA utili alla cellula. Infatti, vicino alle sequenze copia dei genomi virali, quelle da digerire se presenti nella cellula, c'è una sequenza nota come PAM (Protospacer Adjacent Motif), che rappresenta il segnale di taglio. La sequenza PAM permette di distinguere il DNA-self dei batteri da quello non-self dei virus Questo evita problemi di auto-immunità. Il sistema immunitario dei batteri, quindi, è del tutto paragonabile come risultato finale a quello adattativo dei vertebrati.

Vediamo, ora, una delle ultime applicazioni d'avanguardia della tecnica CRISPR. Dal 2012 abbiamo imparato a sfruttare questa "macchinetta molecolare", sostituendo il suo RNA guida, per condurla in corrispondenza del locus genomico contenente il gene d'interesse per mutarlo, correggerlo, sovraesprimerlo, silenziarlo e così via. Studiando la genetica e le leggi di Mendel, avete capito che per ottenere linee pure, cioè omozigoti in un gene d'interesse, occorre fare incroci e avere a disposizioni organismi che possano autofecondarsi. L'ingegneria genetica negli ultimi trenta anni ha permesso ai ricercatori di poter ottenere linee "pure" in laboratorio senza fare "troppi" incroci, ma le procedure molecolari sono piuttosto complicate. Ora, grazie al CRISPR, questo è diventato molto semplice. Recentemente negli insetti, alcuni loci eterozigoti sono stati "convertiti" in omozigoti, grazie alla "macchinetta molecolare" del CRISPR. In un articolo uscito a febbraio 2019, il sistema è stato messo a punto anche nei topi. Si può quindi usare la tecnica CRISPR per scegliere quale allele verrà ereditato da un topo. Essendo i topi utilizzati come modelli animali per le malattie genetiche umane, questa tecnologia molecolare permetterà di produrre in tempi brevi modelli da laboratorio. Non solo. Fino ad oggi era molto difficile ottenere modelli per malattie multigeniche, cioè dovute all'azione di più geni contemporaneamente. Oggi, grazie al CRISPR, si può sperare di ottenerli molto rapidamente. Per lo studio di tutte le malattie genetiche complesse, questo sarebbe un passo in avanti storico.

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)