L’ingegneria genetica è tutto quell’insieme di tecniche sviluppate da studi di biotecnologie e biologia molecolare che permettono di modificare il DNA degli esseri viventi al fine di produrre un vantaggio sfruttabile dall’uomo.
Una delle tecnologie più innovative in questo ambito è sicuramente la CRISPR-CAS, un sistema di modifica del DNA minuziosa e precisa che sta rivoluzionando le applicazioni biotecnologiche in ambito biomedico. Scopriamo di cosa si tratta, come funziona, le potenzialità per la guarigione delle malattie genetiche e non, i rischi anche di natura etica.
In questo articolo parliamo di:
Che cos’è la tecnica Crispr o editing genomico?
CRISPR è l’acronimo inglese di “Clustered Reguled Interspaced Short Palindromic Repeats” che in italiano si traduce con “sequenze geniche che si ripetono a intervalli regolari”. Con l’acronimo CRISPR almeno in origine ci si riferiva a sequenze di DNA all’interno del genoma dei batteri con una funzione e origine fino a poco tempo fa sconosciuta.
Adesso sappiamo che questi segmenti di acido nucleico provengono dal genoma di virus batteriofagi che hanno precedentemente infettato il batterio e che possono essere utilizzati per sintetizzare molecole di RNA che si possono allineare al genoma di virus esterni e quindi inibirli. Si tratta di fatto di un primordiale sistema immunitario acquisito.
Nel funzionamento del sistema suddetto, all’interno dei batteri si inserisce anche una famiglia di proteine che sono fondamentali per lo sfruttamento di questi fenomeni a livello biotecnologico: le proteine Cas (CRISPR associated protein).
Vediamo il loro ruolo all’interno del ciclo di eventi che compongono l’applicazione del sistema Crispr-Cas all’interno delle cellule batteriche:
- Il genoma virale penetra nella cellula
- Le proteine Cas lo riconoscono e ne tagliano alcuni piccoli frammenti che vengono inseriti in una regione specifica del genoma batterico
- Questa regione viene trascritta e forma un RNA contenente i messaggeri di tutte le sequenze di origine virale che possiede il batterio
- Le proteine Cas processano questo trascritto in piccoli frammenti che si legano a un’altra proteina della famiglia Cas: la proteina Cas 9
- Cas 9 ha una funzione nucleasica: il sistema Cas 9-RNA viene diretto verso il genoma virale grazie alla componente ribonucleica che fa da guida, mentre Cas 9 taglia il DNA virale rendendolo inoffensivo.
Le due scienziate, Jennifer A. Doudna, Professoressa all’University of California (Berkeley) ed Emmanuelle Charpentier, Direttrice del Max Planck Unit for the Science of Pathogens a Berlino, ebbero l’intuizione che integrando questo tipo di “RNA guida” e il sistema di proteine CAS all’interno di qualsiasi cellula, queste avrebbero potuto tagliare il genoma cellulare in un punto estremamente preciso del genoma, obiettivo fino a quel momento mai raggiunto da nessuna tecnica.
Sulla base di quanto scoperto riguardo al sistema Crispr-Cas, lo sforzo seguente è stato quello di implementare una metodica per poter sfruttare questo processo per fini biotecnologici.
Ad oggi il sistema Crispr è la metodica di modifica genetica più performante tanto da essersi conquistata l’appellativo di “forbice molecolare”. Vediamo nel dettaglio come funziona.
Come funziona la tecnica CRISPR?
L’obiettivo finale dell’uso del sistema Crispr-Cas in ambito biotecnologico è quello di modificare un gene all’interno di una cellula e ottenere un cambiamento nell’organismo che possa portare a qualche beneficio applicativo.
La proteina Cas9 riesce a tagliare il DNA della cellula in un punto preciso, programmabile, sulla base del tipo di RNA guida che gli forniamo; pertanto, dopo l’attività della proteina il gene bersaglio sarà interrotto: all’interno dell’interruzione del gene potrà essere inserito un inserto di DNA fornito direttamente dall’esterno che si potrà integrare nella sequenza e modificarne il prodotto proteico.
Semplificando, per portare avanti un processo di modifica genomica tramite Crispr-Cas è necessario fornire alla cellula i seguenti elementi:
- RNA guida: che individua la sequenza specifica da attaccare
- Enzima cas9, che taglia il gene
- Il DNA da inserire nel taglio, che la cellula sostituirà all’interruzione usando in maniera autonoma i suoi sistemi di riparazione del genoma
Per poter veicolare tutti questi fattori all’interno della cellula c’è bisogno di un vettore, ossia, un plasmide di DNA di forma circolare che contenga i geni per trascrivere la proteina Cas9, RNA guida e il DNA inserto. Una volta inserito il vettore nella cellula, questo si integra nel genoma e le sue componenti inizieranno ad essere trascritte dando il via a quello che gli anglosassoni chiamano ormai “genome editing”, in italiano letteralmente “montaggio genomico”.
Il sistema Crispr/Cas per la cura delle malattie genetiche
Le applicazioni della tecnica Crispr/Cas possono essere molteplici, soprattutto in ambito biomedico e agrario, laddove l’impatto del genome editing potrebbe essere davvero imponente, permettendo di ottenere risultati finora ritenuti impossibili e fuori dalla portata umana, il che porta inevitabilmente a sollevare anche dubbi di natura etica.
Una delle applicazioni della Crispr è sicuramente nel campo delle malattie ereditarie.
Queste, infatti, sono causate dalla presenza nel genoma del paziente di un gene mutato che produce una proteina difettosa e quindi incapace di portare a termine il processo biologico in cui è inserita.
In questo caso la tecnica CRISPR permette di sostituire la sequenza che contiene l’errore genetico con DNA non mutato, in modo da, almeno idealmente, eliminare il gene patologico dalle cellule colpite dall’errore genetico.
I primi usi sperimentali della CRISPR applicata alla cura di malattie genetiche sono quelli su pazienti affetti da distrofia muscolare di Duchenne, Fibrosi Cistica e Talassemie.
Le problematiche più importanti per l’implementazione di questo tipo di terapia riguardano la modalità e l’efficienza con cui riuscire a veicolare il vettore a livello dei tessuti affetti dalla patologia: il DNA è una molecola molto pesante con una struttura chimica complessa, per cui è molto difficile somministrarlo al paziente come se fosse un normale preparato farmaceutico.
La tecnica Crispr come terapia per la cura del cancro
Una delle sfide maggiori della ricerca biomedica è quella di riuscire a trovare una terapia universale contro il cancro.
La CRISPR è sicuramente una metodica che può fornire molta speranza in questo senso.
La patogenesi di un tumore coinvolge alcune famiglie di geni che, essendo mutati, funzionano male e determinano un’attività di proliferazione a livello della cellula, la quale porta alla formazione della massa tumorale.
L’uso della CRISPR, anche in questo caso, prevede la modifica dei geni mutati che hanno generato il profilo canceroso.
Si procede a una sostituzione delle sequenze difettose con geni nuovi, quindi incapaci di promuovere la crescita tumorale.
Le patologie oncologiche che più si prestano all’applicazione della CRISPR come terapia sono quelle che colpiscono le cellule del sangue.
In questi casi si può procedere con il prelievo delle cellule del paziente, la loro manipolazione in laboratorio ex vivo, cioè al di fuori del corpo del paziente, e la successiva re-immissione nel circolo sanguigno delle cellule con gene sostituito, andando a fornire una sottopopolazione di cellule prive delle mutazioni cancerogene.
La tecnica Crispr contro le infezioni
L’applicazione della CRISPR può risultare utile anche per quanto riguarda la terapia di malattie infettive.
Tra queste c’è anche l’AIDS, provocata dall’infezione di virus HIV: il virus HIV infetta i linfociti umani legandosi a una proteina espressa sulla loro superficie, il recettore CD4.
La penetrazione del virus nelle cellule linfocitarie mette fuori gioco una parte molto importante del sistema immunitario provocando un grave stato di immunodeficienza.
In questo caso l’applicazione della CRISPR prevede il trapianto di cellule ematopoietiche (le cellule madri dei linfociti) manipolate con CRISPR, in modo da esporre un recettore CD4 che impedisce l’ingresso del virus e di conseguenza la replicazione all’interno del sangue del paziente.
Un altro approccio prevede di somministrare al paziente vettori di DNA contenenti il sistema CRISPR-CAS dotato di 3 RNA guida che vanno ad allinearsi a 3 punti specifici del genoma di HIV e tagliarlo. L’obiettivo è quello di riuscire ad asportare grandi porzioni del genoma virale fino a renderlo incapace di recare danni.
Il problema etico della tecnica CRISPR
L’applicazione della tecnica CRISPR più all’avanguardia adottata fino a ora è quella che riguarda la manipolazione del genoma di embrioni umani. Da un punto di vista medico, poter modificare il DNA di un embrione è un enorme passo avanti nella lotta contro le malattie ereditarie, in quanto permetterebbe di eliminare difetti del DNA ereditati dai genitori e quindi eliminare alla base la patogenesi di malattie genetiche.
Tuttavia se questo tipo di applicazione da un lato risulta essere un’enorme conquista, dall’altro potrebbe nascondere dei notevoli rischi, oltre che sollevare problemi di natura etica.
La comunità scientifica è da sempre concorde sul fatto che la modifica di intere sequenze del genoma delle nostre cellule è un evento che crea caos nel DNA della cellule, che può provocare errori nelle vicinanze del sito di inserzione come rotture di intere regioni, eliminazioni di sequenze e riarrangiamenti più ampi.
Queste tipologie di eventi renderebbero l’applicazione della tecnica più deleteria della patologia per la quale è stata applicata come terapia.
Inoltre, la possibilità di modificare il genoma degli embrioni permetterebbe all’essere umano di accedere al flusso ereditario tra genitori e prole, ridisegnando completamente il ruolo della nostra specie nel rapporto verso le leggi che regolano la natura. Questo è indubbiamente un tema dai profondi risvolti etici.
Fonti
https://www.osservatorioterapieavanzate.it/terapie-avanzate/editing-genomico/crispr-ca-o-s-i-rischi-della-tecnica-di-editing
https://www.osservatorioterapieavanzate.it/terapie-avanzate/editing-genomico/crispr-e-duchenne-autorizzata-la-somministrazione-a-un-paziente-negli-usa
https://www.osservatorioterapieavanzate.it/terapie-avanzate/editing-genomico/crispr-ca-o-s-i-rischi-della-tecnica-di-editing
https://www.lescienze.it/news/2015/04/07/news/forbici_molecolari_editing_genetico_colesterolo_topi-2556957
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1225829
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