Cas9: la nuova frontiera dell’editing genomico

Ogni avanzamento delle conoscenze portato dalla ricerca scientifica, per quanto apparentemente modesto, può col tempo aprire le porte ad applicazioni di grande rilevanza. Molte delle scoperte premiate con il Nobel per la Medicina, ad esempio, al momento della loro pubblicazione non hanno suscitato particolare clamore, salvo poi rivelarsi fondamentali per la messa a punto di nuove terapie. Si pensi al Nobel assegnato nel 2018 a James P. Allison e Tasuku Honjo per le loro ricerche degli anni ’90 del secolo scorso sui meccanismi di regolazione immunitaria, che hanno posto le basi per la moderna immunoterapia dei tumori. O ancora al recentissimo Nobel assegnato a Katalin Karikó e Drew Weissman per i loro studi all’inizio degli anni 2000 sulle modificazioni degli Rna a scopo terapeutico, rivelatisi fondamentali per la messa a punto dei vaccini a mRna.

Tuttavia, ci sono scoperte che sono in grado di cambiare completamente il volto di una disciplina scientifica, come sottolinea Giovanni Maga, direttore del Dipartimento di scienze biomediche (Dsb) del Consiglio nazionale delle ricerche, che ricorda la tecnica detta reazione a catena della polimerasi o Pcr, introdotta da Kary Mullis (premiato col Nobel per la Chimica nel 1993) a metà degli anni ’80 del XX secolo: “Questa tecnologia ha riscritto il nostro modo di approcciare le scienze genetiche, rendendo possibili applicazioni prima impensabili, dall’isolamento rapido di singoli geni al sequenziamento automatico del Dna, solo per citarne alcune. Un simile cambiamento epocale è avvenuto in tempi più recenti con l’introduzione della tecnologia CRISPR-Cas9, che ha letteralmente rivoluzionato la nostra capacità di modificare a piacimento il genoma di qualsiasi organismo, ovvero di fare genome editing”.

Questa tecnologia, infatti, permette ai genetisti di rimuovere, aggiungere o modificare specifiche sequenze di Dna in una posizione desiderata del genoma, con assoluta precisione. “Il sistema consiste di due componenti: un enzima, Cas9 (in realtà oggi si possono utilizzare diversi altri enzimi a seconda del tipo di modificazione che si vuole introdurre), che agisce come una forbice molecolare tagliando il Dna, o meglio spezzando il legame chimico tra due nucleotidi adiacenti; una molecola di Rna, detta Rna guida (o gRna), che funziona da ‘mirino’ permettendo di posizionare Cas9 esattamente nella porzione del genoma in cui si vuole introdurre il cambiamento”, continua il direttore del Cnr-Dsb. “Questo perché l’Rna è in grado di appaiarsi a una sequenza di Dna che gli sia complementare. Dato che oggi noi conosciamo la sequenza del genoma di migliaia di organismi, essere umani inclusi, possiamo sintetizzare chimicamente un gRna con la sequenza complementare alla porzione del Dna di interesse. Una volta introdotti nella cellula, il gRna legato a Cas9 andrà a posizionarsi nel punto desiderato e l’enzima taglierà il Dna dove previsto. A questo punto sarà possibile eliminare interi pezzi di Dna, così da sopprimere l’espressione di un gene desiderato, oppure inserire un nuovo gene. Sostituendo poi Cas9 con altri enzimi in grado di introdurre modificazioni chimiche nelle basi, è anche possibile utilizzare questo sistema per alterare i meccanismi di regolazione dell’espressione di un gene. Utilizzando gRna su misura è quindi possibile virtualmente riscrivere il genoma di un organismo”

Numerose le possibili applicazioni di questa tecnica, dalla terapia genica alle biotecnologie agroalimentari o industriali. “CRISPR, acronimo inglese che indica una famiglia di sequenze di Dna presenti nei batteri, derivano da porzioni di genoma di virus che hanno infettato in precedenza quei batteri. Quando lo stesso virus infettando inserisce il suo Dna nella cellula batterica, questi microrganismi procariotici trascrivono le sequenze CRISPR in corti Rna che, essendo complementari al Dna virale, guidano Cas9 ad attaccare il genoma del virus distruggendolo”, conclude Maga. “Si tratta, cioè, di una specie di sistema di difesa immunitaria presente nei procarioti. La dimostrazione che il sistema CRISPR-Cas9 potesse essere adattato a divenire uno strumento per il genome editing ha fruttato il premio Nobel alle ricercatrici Emmanuelle Charpentier and Jennifer Doudna nel 2020. Sicuramente, questa tecnologia si candida a essere una pietra miliare nella storia della biologia, al pari della Pcr, la reazione a catena della Polimerasi”.

Fonte: Giovanni Maga, Dipartimento di scienze biomediche,  giovanni.maga@cnr.it