CRISPOR-Immagine: Chase Beisel e Oleg Dmytrenko. Attestazione: HIRI-
Come gli esseri umani, i batteri e gli archei possono essere attaccati dai virus. Questi microrganismi hanno sviluppato le proprie strategie di difesa immunitaria contro i loro agenti patogeni. Le difese batteriche, come i sistemi CRISPR-Cas, hanno diverse proteine e funzioni che aiutano i batteri a proteggersi dagli invasori estranei.
La difesa si basa su un meccanismo comune: un acido ribonucleico CRISPR (crRNA), che funge da “RNA guida”, aiuta a rilevare regioni di un genoma estraneo, come il DNA di un virus, per una scissione mirata. La nucleasi associata a CRISPR (Cas) diretta da un crRNA può tagliare il suo bersaglio come un paio di forbici: una strategia della natura che gli esseri umani hanno sfruttato in molte tecnologie.
“Considerando quanto bene diverse nucleasi siano state tradotte in tecnologie nuove e migliorate, qualsiasi scoperta in questo campo potrebbe portare nuovi benefici alla società”, afferma Chase Beisel, descrivendo una motivazione di ricerca del suo laboratorio presso l’Istituto Helmholtz di Würzburg per la ricerca sulle infezioni basata sull’RNA (HIRI). L’istituto è sede del Braunschweig Helmholtz Center for Infection Research in collaborazione con la Julius-Maximilians-Universität (JMU) di Würzburg.
Beisel ha avviato l’attuale studio su un set specifico di sistemi CRISPR-Cas con Matthew Begemann presso Benson Hill, Inc. (Missouri) e Ryan Jackson presso la Utah State University negli Stati Uniti. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature e sono stati accompagnati da dettagliate analisi strutturali di un secondo team, guidato anche da Ryan Jackson, e da David Taylor dell’Università del Texas.
Diverso da qualsiasi altra nucleasi CRISPR nota
“Stavamo esplorando le nucleasi CRISPR originariamente raggruppate con Cas12a, nucleasi che difendono i batteri riconoscendo e scindendo il DNA invasivo. Una volta identificate più di esse, ci siamo resi conto che erano abbastanza diverse da Cas12a, tanto da giustificare un’immersione più profonda”, dice Oleg Dmytrenko , il primo autore dello studio. “Questa esplorazione ci ha portato a scoprire che queste nucleasi, che abbiamo chiamato Cas12a2, fanno qualcosa di molto diverso non solo da Cas12a, ma anche da qualsiasi altra nucleasi CRISPR nota”.
La differenza cruciale sta nel meccanismo della loro azione di difesa. Quando Cas12a2 riconosce l’RNA invasivo, la nucleasi lo scinde, ma può anche danneggiare altri RNA e DNA all’interno della cellula, compromettendone la crescita e limitando la diffusione dell’infezione. “In generale, tali strategie di difesa che interrompono l’infezione sono state conosciute nei batteri”, afferma il postdoc HIRI Oleg Dmytrenko. “Alcuni altri sistemi CRISPR-Cas funzionano in questo modo. Tuttavia, un meccanismo di difesa basato su CRISPR che si basa su una singola nucleasi per riconoscere l’invasore e degradare il DNA cellulare e l’RNA, non è mai stato osservato prima”, afferma lo scienziato.
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I risultati nel dettaglio
La sequenza proteica e l’architettura di Cas12a2 discriminano questa nucleasi da Cas12a. Attivato da una sequenza di fiancheggiamento del protospacer (PFS), Cas12a2 riconosce gli RNA bersaglio che sono complementari al suo RNA guida. Il target dell’RNA innesca la scissione dell’acido nucleico collaterale che degrada l’RNA, il DNA a singolo filamento e il DNA a doppio filamento. Questa attività porta all’arresto cellulare, presumibilmente danneggiando il DNA e l’RNA nella cellula, che ne compromette la crescita. Cas12a2 può essere utilizzato per la diagnostica molecolare e il rilevamento diretto di biomarcatori dell’RNA, come dimostrato dalla prova di principio.
Una spaccatura distruttiva
In un’ulteriore analisi strutturale della nucleasi da parte di un secondo team che ha scritto il documento di accompagnamento nello stesso numero di Nature, è stato dimostrato che Cas12a2 subisce importanti cambiamenti strutturali dopo essersi legato al suo bersaglio RNA in vari stadi della risposta immunitaria. Questo, a sua volta, porta a una fessura esposta nella nucleasi che può distruggere qualsiasi acido nucleico che incontra, sia esso RNA, DNA a singolo filamento o DNA a doppio filamento. La ricerca ha anche scoperto modi per mutare Cas12a2 per alterare l’acido nucleico che la nucleasi degrada dopo aver riconosciuto il suo bersaglio RNA. Queste specifiche aprono potenzialmente ampie applicazioni tecnologiche per il futuro.
Fonte:Nature
