Un'arma che i virus usano nella loro infinita guerra con i batteri potrebbe essere usata per spegnere il più potente strumento di modifica genetica al mondo.
Ciò, a sua volta, potrebbe ridurre il rischio che il sistema di taglia e incolla batterico, chiamato CRISPR-Cas9, catturi i geni sbagliati e introduca cambiamenti genetici in fuga nell'uomo o in altre specie in natura.
In un nuovo studio, gli scienziati hanno scoperto che una minuscola proteina spegne il sistema e, almeno in una capsula di Petri, la proteina funziona nelle cellule umane, hanno detto i ricercatori.
"È fondamentalmente una singola proteina che possiamo produrre nella cellula o consegnare alla cellula che spegnerà Cas9, impedendogli di legare e tagliare il DNA", ha detto l'autore dello studio Joseph Bondy-Denomy, un microbiologo dell'Università della California, San Francisco.
Ricerca e sostituzione genetica
Il complesso CRISPR-Cas9 è un potente strumento nella difesa immunitaria batterica contro i virus invasori. Quando un virus si infiltra in una cellula batterica, i batteri mobilizzano una sequenza di DNA, chiamata CRISPR, o "ripetizioni palindromiche brevi intervallate regolarmente raggruppate". Il DNA è costituito da brevi blocchi di coppie di basi ripetute separate da DNA spaziatore. I batteri copiano e inseriscono la sequenza di DNA virale nella regione CRISPR e producono due filamenti di RNA. Questo RNA si associa quindi a un enzima chiamato Cas9, che agisce come un paio di forbici guidate, avvicinandosi al DNA virale bersaglio e estraendolo. Infine, la cellula ripara il DNA, sostituendo lo snippet di DNA eliminato con un altro pezzo sostitutivo (fornito dagli scienziati). In sostanza, il sistema CRISPR / Cas9 può essere utilizzato come "trova e sostituisci" genetico.
La facilità d'uso del sistema CRISPR significa che potrebbe essere utilizzato per quasi tutte le tecniche di modifica genetica. Ad esempio, un giorno i medici potrebbero modificare le cellule immunitarie umane in laboratorio per riconoscere le cellule tumorali e poi iniettarle nuovamente in una persona come trattamento mirato per il cancro, afferma Bondy-Denomy. Recentemente, alcuni ricercatori cinesi hanno utilizzato il CRISPR per modificare gli embrioni umani con gravi difetti genetici, sebbene non abbiano permesso agli embrioni di maturare.
Effetti fuori bersaglio
Tuttavia, il sistema di modifica genetica ha un problema: a volte taglia ancora le sequenze di DNA sbagliate. Anche Cas9 rimane troppo a lungo; ci vogliono circa 24 ore affinché metà del Cas9 venga degradato da una cellula, dandogli un sacco di tempo per effettuare tagli off-target al DNA, ha detto Bondy-Denomy a Live Science.
Pertanto, se Cas9 ha un interruttore "off", renderebbe più sicura la possibilità dell'ingegneria genetica umana, ha affermato Bondy-Denomy.
Lui e i suoi colleghi hanno affermato che i virus devono avere un modo per disattivare CRISPR / Cas9. Per replicarsi, i virus spesso inseriscono il proprio DNA nel genoma del batterio, cooptando il meccanismo genetico della cellula per fare molte copie del DNA virale. In base a tale logica, quindi, i virus devono avere un modo per disattivare CRISPR / Cas9, oppure a volte il sistema immunitario dei batteri identificherebbe il DNA virale bersaglio nel suo genoma, lo taglierebbe e causerebbe l'autodistruzione, Bondy-Denomy e il suo hanno detto i colleghi.
"Cas9 dovrebbe produrre un RNA che poi scinderà il virus che si trova nel suo genoma - non è abbastanza intelligente da sapere che è nel suo genoma", ha detto Bondy-Denomy a Live Science. Il team ha ragionato che se la cellula batterica fosse stabile e non si autodistrugge ", allora forse questo virus sta producendo una proteina inibitrice".
Quindi, il team ha esaminato 300 ceppi di Listeria batteri, che causano malattie di origine alimentare, per segni che il DNA virale si è infiltrato nel genoma batterico. Eppure i batteri non si autodistruggevano. Da lì, hanno cercato le proteine che hanno inattivato ListeriaLa versione di Cas9, che è molto simile a quella usata nella maggior parte dei laboratori di tutto il mondo, si chiama SpyCas9.
Il team ha trovato quattro proteine anti-CRISPR, due delle quali hanno lavorato contro SpyCas9 comunemente usato, i ricercatori hanno riferito oggi (29 dicembre) sulla rivista Cell. In una capsula di Petri, queste due proteine anti-CRISPR hanno funzionato anche nelle cellule umane per disattivare il sistema CRISPR / Cas9.
Ingegneria più sicura
Il team deve ancora dimostrare che l'uso delle proteine anti-Cas9 riduce il potenziale di taglio off-target di Cas9 e non sanno per quanto tempo le proteine rimangono nelle cellule. Tuttavia, se fossero in grado di mostrare che le proteine funzionano in vivo, la nuova scoperta avrebbe il potenziale per rendere più sicuro l'editing genetico eliminando rapidamente Cas9.
"Non fai affidamento sul suo degrado passivo; in realtà ti assicuri che venga spento", ha detto Bondy-Denomy.
La tecnica potrebbe essere utilizzata anche per altre applicazioni. Ad esempio, le persone hanno discusso sull'uso di Cas9 per introdurre un gene mutante in un'intera popolazione di zanzare per sradicarle o prevenire la diffusione di alcune malattie.
"Questo sta essenzialmente scatenando un bioterrore su un organismo", che potrebbe avere conseguenze buone, cattive o completamente imprevedibili, ha affermato Bondy-Denomy. Quindi queste proteine anti-CRISPR potrebbero essere un utile interruttore o meccanismo di controllo da utilizzare nel caso in cui tale ingegneria a livello di specie debba essere repressa, ha detto Bondy-Denomy.
