L’editing genetico, o la modifica intenzionale della sequenza del DNA di un gene, è un potente strumento per studiare come le mutazioni causano la malattia e per apportare modifiche al DNA di un individuo a fini terapeutici. Un nuovo metodo di editing genetico che può essere utilizzato per entrambi gli scopi è stato ora sviluppato da un team guidato da Guoping Feng, James W. (1963) e Patricia T. Poitras Professor Brain and Cognitive Sciences al MIT.
“Questo progresso tecnico può accelerare la produzione di modelli di malattia negli animali e, in modo critico, apre una metodologia completamente nuova per correggere le mutazioni che causano malattie”, afferma Feng, che è anche membro del Broad Institute of Harvard e del MIT e del Direttore associato del McGovern Institute for Brain Research al MIT.
Le nuove scoperte sono state pubblicate online il 26 maggio sulla rivista Cell.
Modelli genetici di malattia
Uno degli obiettivi principali del laboratorio Feng è definire con precisione cosa va storto nei disturbi dello sviluppo neurologico e neuropsichiatrico mediante l’ingegneria di modelli animali che portano le mutazioni genetiche che causano questi disturbi negli esseri umani. Nuovi modelli possono essere generati iniettando embrioni con strumenti di editing genetico, insieme a un pezzo di DNA che porta la mutazione desiderata.
In uno di questi metodi, lo strumento di modifica genica CRISPR è programmato per tagliare un gene mirato, attivando così i meccanismi naturali del DNA che “riparano” il gene rotto con il DNA iniettato. Le cellule ingegnerizzate vengono quindi utilizzate per generare una prole in grado di trasmettere il cambiamento genetico a generazioni successive, creando una linea genetica stabile in cui vengono testate la malattia e le terapie.
Sebbene CRISPR abbia accelerato il processo di generazione di tali modelli di malattia, il processo può ancora richiedere mesi o anni. Le ragioni dell’inefficienza sono che molte cellule trattate non subiscono affatto il cambiamento di sequenza del DNA desiderato e il cambiamento si verifica solo su una delle due copie del gene (per la maggior parte dei geni, ogni cellula contiene due versioni, una dal padre e una dalla madre).
Nel tentativo di aumentare l’efficienza del processo di modifica genica, il team del laboratorio Feng ha inizialmente ipotizzato che l’aggiunta di una proteina di riparazione del DNA chiamata RAD51 a una miscela standard di strumenti di modifica genica CRISPR aumenterebbe le possibilità che una cellula subirebbe il cambiamento genetico desiderato.
Come test case, i ricercatori hanno misurato la velocità con cui sono stati in grado di inserire (“knock-in”) una mutazione nel gene Chd2 che è associato all’autismo. La proporzione complessiva di embrioni che sono stati modificati correttamente è rimasta invariata, ma con sorpresa dei ricercatori, una percentuale significativamente più alta ha portato la modifica del gene desiderata su entrambi i cromosomi. I test con un gene diverso hanno prodotto lo stesso risultato inaspettato.
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“La modifica di entrambi i cromosomi contemporaneamente è normalmente molto rara”, spiega il postdoc Jonathan Wilde. “L’alto tasso di editing osservato con RAD51 è stato davvero sorprendente e quello che è iniziato come un semplice tentativo di creare topi Chd2 mutanti si è rapidamente trasformato in un progetto molto più grande incentrato su RAD51 e le sue applicazioni nell’editing del genoma“, afferma Wilde, coautore del documento pubblicato su Cell con la ricercatrice Aida Tomomi.
Una copiatrice molecolare
Il team del laboratorio Feng ha poi iniziato a capire il meccanismo con cui RAD51 migliora l’editing genico. Ha ipotizzato che RAD51 avvii un processo chiamato riparazione interomologa (IHR), per cui una rottura del DNA su un cromosoma viene riparata usando la seconda copia del cromosoma (dall’altro genitore) come modello.
Per testare questa ipotesi, i ricercatori hanno iniettato embrioni di topo con RAD51 e CRISPR, ma hanno escluso il DNA modello. Hanno programmato CRISPR per tagliare solo la sequenza genica su uno dei cromosomi, quindi hanno testato se fosse stato riparato per corrispondere alla sequenza sul cromosoma non tagliato. Per questo esperimento, hanno dovuto usare topi in cui le sequenze sui cromosomi materni e paterni erano diverse. I ricercatori hanno scoperto che gli embrioni di controllo iniettati con il solo CRISPR mostravano raramente la riparazione intderomologa IHR. Tuttavia, l’aggiunta di RAD51 ha aumentato significativamente il numero di embrioni in cui il gene mirato da CRISPR è stato modificato per corrispondere al cromosoma non tagliato.
“Precedenti studi sulla riparazione interomologa IHR hanno scoperto che è incredibilmente inefficiente nella maggior parte delle cellule”, afferma Wilde. “La nostra scoperta che si verifica molto più facilmente nelle cellule embrionali e può essere potenziata da RAD51 suggerisce che una comprensione più profonda di ciò che rende l’embrione permissivo a questo tipo di riparazione del DNA potrebbe aiutarci a progettare terapie geniche più sicure ed efficienti”.
Un nuovo modo per correggere le mutazioni che causano malattie
Le strategie di terapia genica standard che si basano sull’iniezione di un pezzo correttivo di DNA per fungere da modello per riparare la mutazione coinvolgono un processo chiamato riparazione diretta dall’omologia (HDR).
“Le strategie basate sull’HDR soffrono ancora di bassa efficienza e comportano il rischio di un’integrazione indesiderata del DNA del donatore in tutto il genoma”, spiega Feng. “IHR ha il potenziale per superare questi problemi perché si basa su percorsi cellulari naturali e sul cromosoma normale del paziente per la correzione della mutazione deleteria“.
Il team di Feng ha continuato a identificare ulteriori proteine associate alla riparazione del DNA che possono stimolare l’IHR, comprese molte che non solo promuovono alti livelli di IHR, ma reprimono anche gli errori nel processo di riparazione del DNA. Ulteriori esperimenti che hanno permesso al team di esaminare le caratteristiche genomiche degli eventi IHR hanno fornito informazioni più approfondite sul meccanismo della IHR e suggerito modi in cui la tecnica può essere utilizzata per rendere più sicure le terapie geniche.
“Anche se c’è ancora molto da imparare su questa nuova applicazione della IHR, i nostri risultati sono la base per un nuovo approccio di terapia genica che potrebbe aiutare a risolvere alcuni dei grandi problemi con gli approcci attuali”, afferma Aida.
