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Dal batterio “leptotrichia shahii” importanti novità nel campo dell’ingegneria genetica

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Lo scorso 2 Giugno è stato pubblicato sulla rivista Science un articolo [1] che pone le basi per una grande novità sul campo del genome editing, basato sul già noto sistema CRISPR/Cas9. Con il termine genome editing si intendono le tecniche di ingegneria genetica che consentono di modificare sequenze di DNA, inserendo o eliminando dei “pezzi” oppure sostituendoli. Questo consente, ad esempio, di modificare il trascritto di un gene – cioè il suo prodotto – e quindi la proteina da esso codificata: questo è quello che viene comunemente chiamata terapia genica, ovvero quella metodica che consente, tramite opportune tecniche di biologia molecolare, di modificare un gene mutato per farlo tornare alla forma “normale” (wild-type), superando quindi una condizione di malattia.

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Immagine 1: Batteriofagi sulla superficie di un batterio

Tra le metodiche utilizzate per il genome editing c’è quella basata sul sistema CRISPR/Cas9. Il sistema CRISPR/cas è noto ormai da tempo e rappresenta il sistema immunitario dei batteri: essi infatti sono soggetti ad infezione da parte di virus che prendono il nome di batteriofagi (Immagine 1). vedi sotto per didascalia.

Quando un batteriofago di tipo virulento infetta una cellula batterica, vi inietta il suo genoma (il meccanismo è spesso simile a quello di una siringa), in modo tale che di esso possano essere fatte numerose copie e vengono pure prodotte tutte quelle proteine che servono ad assemblare nuovi batteriofagi. Alla fine del processo, la fuoriuscita delle nuove particelle virali causa la morte del batterio.

Esiste poi un altro tipo di batteriofagi (detti temperati) il cui genoma può integrarsi all’interno di quello del batterio e può conferire ad esso nuove funzioni: il Vibrio cholerae, ad esempio, è in grado di produrre la sua tossina (quella che causa i sintomi del colera) solo in seguito all’infezione da parte di un virus. Come funziona questo sistema immunitario batterico?

Le CRISPR (pronuncia: “crisper”) sono brevi ripetizioni palindrome raggruppate e separate a intervalli regolari che si trovano dentro il genoma del batterio, infatti si tratta di sequenze di DNA che si ripetono e che sono separate da un DNA spaziatore che si forma ogniqualvolta un virus infetta la cellula batterica. Quando accade questo, le cas, che invece sono delle proteine, riconoscono il DNA virale “invasore” e fanno in modo che un pezzo di esso si inserisca dentro la CRISPR formando il  DNA spaziatore (Immagine 2/A).

 

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Immagine 2/A: Fase di immunizzazione

 

Come le altre regioni del batterio, anche le CRISPR sono trascritte, cioè “copiate” in una molecola di RNA che viene poi modificata ed interagisce con la già citata Cas9, per formare una molecola che è chiamata “piccolo RNA interferente”, proprio perché interferisce con una nuova eventuale infezione da parte dello stesso virus, da cui appunto il batterio è immune (Immagine 2/B).

 

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Immagine 2/B: Il meccanismo di immunità porta al clivaggio del DNA invasore

 

Come già anticipato, questo meccanismo viene sfruttato nel genome editing: dentro la cellula bersaglio, si veicola un plasmide, cioè una piccola molecola di DNA circolare, che contiene la sequenza che codifica per Cas9, cioè permette la produzione di questa proteina, e contiene pure la sequenza che serve per produrre una molecola di RNA che guida la Cas9 su una regione precisa del DNA della cellula bersaglio. Una volta trovata la regione bersaglio, Cas9 agisce come un paio di forbici tagliando dentro la regione e ciò può consentire l’inserimento di un nuovo “pezzo” di DNA oppure l’eliminazione di quella regione o una sua mutazione che possa restituire la normale funzione ad un gene mutato. Il sistema CRISPR/cas è stato individuato per la prima volta nel 1987, ma solo negli Anni Duemila si è riusciti a comprenderne il funzionamento e già da qualche anno è usato nella ricerca scientifica per numerosi scopi, come la produzione di animali modello per lo studio di malattie.

La novità dell’articolo pubblicato su Science risiede nel fatto che i ricercatori del MIT (Massachussetts Institute of Technology) e del National Center for Biotechnology Information (NCBI) hanno scoperto che il batterioLeptotrichia shahii ha un sistema CRISPR/cas che invece di agire su molecole di DNA agisce su molecole di RNA: esistono, infatti, dei batteriofagi il cui patrimonio genetico è fatto da RNA invece che da DNA.

Nel batterio oggetto di studio, è stata individuata la proteina C2c2 che funziona come Cas9, ma invece di tagliare molecole di DNA è in grado di tagliare molecole di RNA a singolo filamento: C2c2 è condotto su quest’ultime grazie ad un modulo guida che, come nel caso della Cas9, è una molecola di RNA prodotta dalla sequenza CRISPR. Dato che il modulo guida può essere modificato in laboratorio, come già avviene per il sistema CRISPR/Cas9, si può programmare l’editing di determinati RNA, come gli RNA messaggeri (mRNA), cioè quelle molecole che  portano l’informazione per la produzione di una data proteina.

Un’ulteriore applicazione, e forse quella più interessante, potrebbe essere lo studio di RNA non codificanti, cioè che non producono alcuna proteina, ma che spesso sono coinvolti in alcune patologie: col sistema riportato nell’articolo di Science, si potrebbero marcare questi RNA in modo da seguirne la localizzazione cellulare, sfruttandoli in studi di eziopatogenesi che potrebbero portare alla prevenzione o cura di determinate patologie.

 

 

NOTE UTILI :

 

[1] “C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector” Omar O. Abudayyeh, Jonathan S. Gootenberg et al.

 


 

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Fonti Immagini:

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About Deborah Crifò

COLLABORATRICE | Nata nel Dicembre del 1991, da ragazzina sognava di diventare un'archeologa. Per questo, fu ben lieta di iscriversi al Liceo Classico "Gorgia" di Lentini (SR) per studiare latino e greco. Ma questa scelta, della quale non si è mai pentita, l'ha portata in realtà ad appassionarsi alle scienze, in particolar modo alla Fisica ed alla Biologia. Oggi è laureata in Scienze Biologiche e frequenta il corso di laurea specialistica in Biologia Cellulare e Molecolare presso l'Università degli Studi di Catania.

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