Prime editing-immagine: un singolo sistema di prime editing potrebbe potenzialmente curare più malattie genetiche. Crediti: Agnieszka Grosso, Broad Communications
Un team di ricercatori del Broad Institute, guidato dal pioniere dell’editing genetico David Liu, ha sviluppato una nuova strategia di editing genetico che potrebbe potenzialmente portare a un trattamento una tantum per molteplici malattie genetiche non correlate.
I farmaci per l’editing genetico vengono spesso prodotti uno alla volta per trattare una specifica mutazione, un approccio difficile da adattare alle migliaia di malattie rare che colpiscono pazienti in tutto il mondo. La nuova tecnologia, chiamata PERT (prime editing-mediated readthrough of premature termination codons), è progettata per massimizzare il potenziale dell’editing genetico utilizzando un solo agente di editing per servire il maggior numero possibile di pazienti.
“Siamo entusiasti della possibilità di sviluppare un singolo agente di editing in un farmaco che potrebbe aiutare molti tipi diversi di pazienti, aggirando la necessità di investire diversi anni e milioni di dollari per sviluppare ogni nuovo farmaco genetico per ogni individuo”, ha affermato Liu, membro principale dell’Istituto, Professore Richard Merkin e Direttore del Merkin Institute for Transformative Technologies in Healthcare presso Broad, Professore presso l’Università di Harvard e ricercatore presso l’Howard Hughes Medical Institute.
PERT utilizza il prime editing, un sistema di editing del DNA versatile e preciso sviluppato dal laboratorio di Liu nel 2019, per recuperare un tipo di mutazione che può causare circa un terzo delle malattie rare. Queste “mutazioni nonsenso” possono comparire in molti geni diversi e indurre le cellule a interrompere prematuramente la sintesi delle proteine associate, con conseguente formazione di molecole troncate e malfunzionanti che portano alla malattia. Tra le 200.000 mutazioni patogene documentate nel database ClinVar, il 24% sono mutazioni nonsenso.
L’approccio PERT non modifica direttamente queste mutazioni senza senso, una strategia che richiederebbe lo sviluppo di un agente di modifica diverso per ogni mutazione, ma effettua invece un’altra modifica che fornisce alle cellule uno strumento per produrre la versione normale e funzionale della proteina, indipendentemente dal gene interessato.
In un articolo pubblicato su Nature, il team ha descritto come ha testato la tecnologia PERT in modelli cellulari umani di malattia di Batten, malattia di Tay-Sachs e malattia di Niemann-Pick di tipo C1, e in un modello murino di sindrome di Hurler. La tecnologia ha ripristinato la produzione proteica e alleviato i sintomi della malattia, senza rilevare modifiche fuori bersaglio, alterazioni nella normale produzione di RNA o proteine, né tossicità per le cellule.
Il lavoro è stato guidato dai co-primi autori Sarah Pierce e Steven Erwood, entrambi associati post-dottorato nel laboratorio Liu.
Una soluzione creativa
Liu e il suo laboratorio sviluppano da molti anni nuovi strumenti di editing del DNA per affrontare le malattie genetiche. Tuttavia, dopo aver constatato quanto sia difficile e dispendioso in termini di risorse raggiungere i pazienti con queste tecnologie, Liu ha iniziato a riflettere su come semplificare il processo.
“In alcuni casi, i colli di bottiglia della medicina genetica non sono più una questione scientifica“, ha affermato. “Sono dovuti ai requisiti normativi, ai costi di produzione associati a questi trattamenti e alle sfide commerciali dei farmaci che curano un numero molto limitato di pazienti. Vedere le aziende di editing genetico prendere decisioni strazianti su quali obiettivi perseguire, sinonimo di decisioni strazianti su quali pazienti abbandonare, ha reso chiaro che abbiamo bisogno di metodi scientifici creativi per contribuire ad affrontare alcuni di questi problemi“.
Il team ha trovato una potenziale soluzione identificando una causa comune a molte diverse malattie genetiche. Normalmente, quando una cellula deve produrre una proteina, trascrive prima il DNA in mRNA. Altre molecole, chiamate tRNA, leggono quindi la sequenza dell’mRNA e uniscono i corrispondenti elementi costitutivi degli amminoacidi in una catena che diventa la proteina finale. Una speciale sequenza di tre lettere nell’mRNA – UAA, UAG o UGA – segna la fine delle istruzioni di assemblaggio della proteina. Questo segnale è chiamato codone di terminazione.
Ma circa il 30% delle malattie genetiche è causato da mutazioni del DNA che creano un codone di terminazione errato da qualche parte nel mezzo della sequenza di mRNA, segnalando alla cellula di interrompere la produzione proteica troppo presto. Il team di Liu ha cercato di sviluppare un metodo universale per dotare permanentemente la cellula degli strumenti necessari per superare questi codoni di terminazione prematuri, consentendo alla sintesi proteica di continuare normalmente.
“La nostra speranza è che questo tipo di soluzione possa fornire un trattamento di editing genetico unico e una tantum, che possa apportare benefici ai pazienti affetti da diverse malattie causate da mutazioni nonsenso“, ha affermato Pierce.
Installazione di un nuovo tRNA
I ricercatori hanno ideato un’applicazione creativa del prime editing per affrontare questo problema. Si sono inizialmente rivolti ai tRNA “soppressori”. Questo tipo di tRNA aggiunge un amminoacido in risposta a un codone di terminazione prematuro, consentendo alla cellula di continuare a sintetizzare la proteina invece di interromperne la sintesi a metà.
Testando decine di migliaia di varianti di tRNA, Pierce, Erwood e i loro colleghi hanno progettato un nuovo tRNA soppressore altamente efficiente. Hanno quindi ottimizzato un sistema di prime editing per installare questo tRNA direttamente nei genomi delle cellule, sostituendo un tRNA esistente e ridondante.
“Gran parte di ciò che ha reso possibile tutto questo è stato semplicemente sfruttare la versatilità del prime editing”, ha affermato Erwood. “Ci ha permesso di apportare modifiche molto complesse a un tRNA in modi che altrimenti non avremmo potuto fare. Abbiamo testato migliaia di diverse tecniche di prime editing finché un modello di tRNA non si è finalmente distinto”.
Il prime editor risultante fornisce in modo permanente alle cellule il nuovo tRNA soppressore, che consente loro di produrre una proteina completa indipendentemente dal gene specifico che porta una mutazione nonsenso.
I ricercatori hanno utilizzato il prime editing per installare questo nuovo tRNA soppressore in modelli cellulari umani di malattia di Batten, malattia di Tay-Sachs e malattia di Niemann-Pick di tipo C1. Utilizzando lo stesso sistema di prime editing in questi diversi modelli cellulari, hanno osservato un ripristino dell’attività enzimatica a circa il 20-70% dei livelli normali, un livello teoricamente sufficientemente alto da alleviare i sintomi della malattia.
l team ha anche testato la propria strategia su un modello murino di sindrome di Hurler, una malattia da accumulo lisosomiale. Analizzando il tessuto cerebrale, epatico e splenico del topo – tessuti normalmente colpiti dalla malattia – gli scienziati hanno scoperto che PERT aveva ripristinato circa il 6% della normale attività enzimatica, un livello sufficiente a eliminare quasi tutti i segni della malattia.
I ricercatori hanno scoperto che PERT non ha determinato modifiche fuori bersaglio rilevate e non ha influenzato la normale sintesi di altre proteine. Il team ipotizza che PERT abbia un impatto minimo sulla normale produzione proteica perché le cellule di mammifero hanno diversi modi aggiuntivi per supportare la corretta sintesi proteica e perché PERT porta solo a bassi livelli del tRNA soppressore ingegnerizzato nelle cellule.
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Il team sta ora ottimizzando ulteriormente il PERT e testandolo su diversi modelli animali per diverse malattie genetiche.
“Ci auguriamo che questa ricerca apra la strada a una sperimentazione clinica del PERT e ispiri altre strategie di editing genetico ampiamente applicabili e indipendenti dalla malattia“, ha affermato Liu.
“Se non si dovesse intervenire su una sola mutazione alla volta, la dimensione dei gruppi di pazienti che potrebbero essere trattati con un singolo farmaco diventerebbe molto, molto più ampia. Ci auguriamo che il risultato sia un numero molto maggiore di pazienti che ne trarranno beneficio, nonché maggiori incentivi allo sviluppo di farmaci per l’editing genetico per le malattie rare“.
Fonte: Nature