Uno strano enzima consente ai ricercatori di studiare – e potenzialmente curare – malattie mortali, apportando per la prima volta modifiche genetiche precise al DNA mitocondriale.
Un particolare enzima batterico ha permesso ai ricercatori di ottenere ciò che nemmeno il popolare sistema di editing del genoma CRISPR – Cas9 poteva gestire: cambiamenti mirati ai genomi dei mitocondri, le strutture cruciali che producono energia nelle cellule.
La tecnica – che si basa su una versione super precisa di editing genetico chiamata editing di base – potrebbe consentire ai ricercatori di sviluppare nuovi modi di studiare e forse anche curare malattie causate da mutazioni nel genoma mitocondriale. Tali disturbi sono spesso trasmessi per via materna e compromettono la capacità della cellula di generare energia. Sebbene ci sia solo un piccolo numero di geni nel genoma mitocondriale rispetto al genoma nucleare, queste mutazioni possono danneggiare particolarmente il sistema nervoso e i muscoli, incluso il cuore e possono essere fatali per le persone che le ereditano.
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Ma è stato difficile studiare tali disturbi, perché agli scienziati mancava un modo per realizzare modelli animali con le stesse modifiche al genoma mitocondriale. L’ultima tecnica segna la prima volta che i ricercatori hanno apportato tali cambiamenti mirati. “È uno sviluppo molto eccitante”, afferma Carlos Moraes, genetista mitocondriale dell’Università di Miami in Florida. “La capacità di modificare il DNA mitocondriale ci permetterebbe di rispondere a domande alle quali prima non potevamo rispondere”.
Lo studio è stato pubblicato l’8 luglio in Nature.
CRISPR-Cas9 ha permesso ai ricercatori di modificare i genomi a proprio piacimento in quasi tutti gli organismi in cui è stato testato. Ma lo strumento utilizza un filamento di RNA per guidare l’enzima Cas9 nella regione del DNA che gli scienziati desiderano modificare. Questo funziona bene per il DNA nel nucleo della cellula, ma i ricercatori non hanno modo di trasferire quell’RNA nei mitocondri, che sono circondati da membrane.
Alla fine del 2018, il biologo chimico David Liu del Broad Institute of MIT e Harvard a Cambridge, nel Massachusetts, ha ricevuto un’e-mail: a Seattle, un team guidato dal microbiologo Joseph Mougous dell’Università di Washington aveva scoperto uno strano enzima. Era una tossina prodotta dal batterio Burkholderia cenocepacia – e quando ha incontrato la base di DNA C, l’ha convertìtta in una U. Poiché U, che non si trova comunemente nel DNA, si comporta come una T, gli enzimi che replicano il DNA della cellula lo copiano come una T, convertendo efficacemente una C nella sequenza del genoma in una T.
Liu aveva sfruttato enzimi simili nell’editing di base, che consente ai ricercatori di utilizzare componenti di CRISPR-Cas9 per cambiare una base di DNA in un’altra. Ma quegli enzimi, chiamati deaminasi della citidina, normalmente agiscono solo sul DNA a singolo filamento. Il DNA nelle cellule umane è costituito da due filamenti avvolti insieme e, in passato, Liu ha dovuto fare affidamento sull’enzima Cas9 per rompere il DNA e creare una regione di DNA a singolo filamento su cui far agire i suoi enzimi. A causa della sua dipendenza dal filamento di RNA che guida Cas9, questa tecnica non sarebbe in grado di raggiungere il genoma mitocondriale.
Ma l’enzima che il team di Mougous aveva scoperto, chiamato DddA, poteva agire direttamente sul DNA a doppio filamento senza fare affidamento sull’enzima Cas9 per romperlo.”Questo”, ragionarono Liu e Mougous, “potrebbe rendere DddA adatto al raggiungimento del genoma mitocondriale”.
Ma per trasformare DddA in uno strumento di modifica del genoma, Liu doveva prima “domare” – la capacità di modificare il DNA a doppio filamento che rende anche mortale l’enzima perché, se sciolto, muta ogni C in cui si imbatte. Per evitare ciò, il team ha diviso l’enzima in due pezzi che avrebbero cambiato il DNA solo se riuniti nel giusto orientamento. E per controllare quale sequenza di DNA ha modificato l’enzima, il team ha quindi collegato ogni metà del DddA alle proteine che sono state progettate per legarsi a siti specifici del genoma.
Esplorare le malattie
“Il lavoro è molto lontano dall’essere utilizzato in clinica”, avverte Liu. Sebbene gli studi iniziali del suo team abbiano riscontrato pochi cambiamenti del DNA fuori bersaglio – un problema comune nella modifica del gene CRISPR – Cas9 – è che sono necessari ulteriori studi su diversi tipi di cellule.
La tecnica potrebbe infine integrare i metodi esistenti utilizzati per prevenire o trattare i disturbi mitocondriali. Alcuni paesi già consentono una procedura chiamata sostituzione mitocondriale, in cui il nucleo di un ovulo o di un embrione viene trapiantato in un ovulo o in un embrione del donatore che contiene mitocondri sani.
- I ricercatori hanno anche sviluppato una tecnica per correggere le mutazioni mitocondriali sfruttando il fatto che le cellule possono contenere migliaia di copie del genoma mitocondriale e che spesso una frazione di queste non contiene la mutazione legata alla malattia. Moraes e altri hanno sviluppato enzimi che entreranno nei mitocondri e taglieranno il DNA nel sito della mutazione dannosa. Invece di riparare il taglio, i mitocondri spesso degradano semplicemente il DNA che è stato danneggiato. I mitocondri che sono stati impoveriti della copia mutata del genoma, consentendo alla copia normale di ripopolare la struttura.
“L’ultimo approccio alla modifica potrebbe consentire ai ricercatori di correggere tali mutazioni anche quando i mitocondri mancano di copie normali sufficienti del gene”, afferma Michal Minczuk, genetista mitocondriale dell’Università di Cambridge, Regno Unito. Sebbene le applicazioni mediche siano ancora distanti, i ricercatori trarranno beneficio a breve termine dalla nuova strategia, usando la tecnica per generare modelli animali in cui possono studiare gli effetti delle mutazioni mitocondriali.
Fonte: Nature
