Che cos’è l’editing genetico CRISPR e come funziona?

L’editing genetico CRISPR, una rivoluzione biotecnologica, sta trasformando la nostra capacità di manipolare il DNA. Immaginate delle forbici molecolari in grado di tagliare e incollare geni con precisione: questo è CRISPR. Basato su un meccanismo di difesa batterica, questo sistema utilizza la proteina Cas9 guidata da una molecola di RNA per individuare e modificare sequenze specifiche del genoma. Dalla cura di malattie genetiche al miglioramento delle colture, CRISPR promette un futuro ricco di possibilità, ma anche di importanti implicazioni etiche da affrontare. Scopriamo come funziona e quali sfide ci attendono.

Nel 2013, due biochimici hanno pubblicato un articolo in cui dichiaravano di aver scoperto un metodo potenzialmente rivoluzionario per manipolare i geni. CRISPR – che sembra un pub gastronomico vegetariano – ha vinto a ciascuno un premio Nobel.

Negli anni successivi, CRISPR (o Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) è stato all’altezza delle aspettative. Ha alterato il panorama scientifico globale e ha sollevato interrogativi su quali tipi di cambiamenti rivoluzionari gli scienziati e gli operatori sanitari potrebbero – e dovrebbero – perseguire.

E se potessimo rendere gli alimenti anallergici e le colture resistenti alla siccità? E se potessimo eliminare le specie invasive e proteggerci da malattie infettive come la malaria? E se potessimo far rivivere specie estinte? E se potessimo rimuovere o riparare le mutazioni che causano patologie ereditarie? O creare immunoterapie personalizzate per curare il cancro di un individuo?

Le prospettive sono così entusiasmanti.

Se la tua comprensione della genetica inizia e finisce con la biologia del liceo – o con il (molto immaginario) Parco giurassico film: non sei solo. Questa roba è complicata. Ecco perché abbiamo chiesto all’esperto di genomica e immunoterapia Timothy Chan, MD, PhD, di scomporre CRISPR per noi, in modo da poter capire meglio perché, oltre un decennio dopo, continua ad entusiasmare così tanto i ricercatori.

Cos’è l’editing genetico?

Prima di addentrarci nel CRISPR, cominciamo con il concetto di editing genetico.

L’editing genetico è il processo di alterazione del materiale genetico (DNA). Ciò potrebbe significare modificare alcuni singoli geni o un’intera sequenza. La ricerca è in corso da più di un decennio e sta cercando di utilizzare l’editing genetico sulle mutazioni che causano gravi condizioni di salute nelle persone. L’obiettivo di questa ricerca sull’editing genetico è eliminare o correggere la mutazione che causa la condizione di salute o che la causa potenziale causarne uno, come alcuni tumori. In altri studi di ricerca si sta esplorando l’editing genetico in modo che una mutazione non venga trasmessa ai bambini alla nascita.

Ad esempio, alla fine del 2022 la Food and Drug Administration (FDA) statunitense ha approvato una terapia genica che introduce un gene necessario per la coagulazione del sangue nelle persone affette da emofilia B. È uno dei numerosi prodotti di terapia cellulare e genica attualmente in uso oggi.

Esistono molte tecniche e applicazioni diverse per l’editing genetico. CRISPR è un approccio all’editing genetico che si sta rivelando promettente negli studi clinici in corso.

Tecnologia CRISPR

Ora che abbiamo chiaro cos’è l’editing genetico, concentriamoci su un approccio specifico: CRISPR.

Le brevi ripetizioni palindromiche raggruppate regolarmente interspaziate, altrimenti note come CRISPR, “sono state originariamente identificate nei batteri, come sistema di difesa batterico”, afferma il dott. Chan.

Giusto. Anche i batteri hanno un sistema immunitario.

CRISPR contiene “spaziatori” – sequenze di DNA rimanenti da virus ostili o altre entità – oltre a sezioni ripetute di materiale genetico. Tali sequenze forniscono l’immunità acquisita e costituiscono gli elementi costitutivi del sistema o processo di modifica genetica. Crea una sorta di progetto che consente agli enzimi presenti nel materiale genetico di apportare modifiche alle sequenze di DNA nelle cellule viventi. Uno degli enzimi più conosciuti utilizzati a questo scopo si chiama Cas9, motivo per cui a volte sentirai parlare di CRISPR-Cas9.

“Nel corso degli anni, le persone hanno scoperto che enzimi specifici che consentono a CRISPR di funzionare – Cas9 è uno di questi. Ma ce ne sono altri, e possono essere adattati per mirare a sequenze di interesse nel DNA per effettuare tagli specifici”, spiega il dott. Chan.

Come funziona la modifica CRISPR

Puoi pensare al meccanismo alla base dell’editing genetico CRISPR come simile al modo in cui le forme magnetiche vengono attratte l’una dall’altra o al modo in cui i blocchi Lego si incastrano.

I segmenti in CRISPR vengono trascritti in RNA. Questo RNA include una sequenza guida, che corrisponde al DNA esistente nel corpo di una persona.

“La sequenza della guida può essere personalizzata in base a ciò che desideri”, afferma la dott.ssa Chan. “E di conseguenza, puoi apportare alterazioni o mutazioni specifiche in una parte del genoma che stai prendendo di mira con un alto grado di precisione.”

Insieme a questa sequenza guida c’è un enzima come Cas9.

Quando la sequenza guida e l’enzima trovano il DNA desiderato da modificare, l’enzima può mettersi al lavoro. Si attacca a questo DNA e apporta modifiche, sia che si tratti di un taglio o di un’alterazione.

La tecnologia CRISPR ha fatto molta strada, afferma il dottor Chan. “La prima generazione di CRISPR è stata un ottimo modo per inattivare i geni. Ha solo fatto una svolta nei geni. Quindi, il DNA si riempirebbe di enzimi riparatori naturali”.

Ma le nuove versioni di CRISPR, come CRISPR prime o CRISPR HD, sono più avanzate.

“Questi possono consentire vere e proprie sostituzioni”, continua il dottor Chan. “Puoi anche sostituire in modo molto accurato una sequenza – una delle lettere del genoma – con un’altra lettera. E puoi apportare mutazioni specifiche.

La capacità di CRISPR di apportare tagli molto specifici e molto piccoli ha il potenziale per trasformare il modo in cui gli operatori sanitari possono affrontare determinate malattie genetiche.

Il dottor Chan è ottimista riguardo al futuro di CRISPR sulla base del successo degli studi clinici in corso su soggetti umani. “Per qualsiasi tipo di malattia genetica causata da un singolo gene mutato, è possibile utilizzare CRISPR per mutarlo e renderlo normale. Ecco perché è utile. È un modo per modificare gli errori nel genoma”.

“In questo momento, CRISPR è orientato alla correzione di un singolo cambiamento nei geni”, aggiunge. “Anche se le combinazioni potrebbero essere possibili in futuro, non siamo ancora arrivati ​​a quel punto.”

È approvato dalla FDA?

Sebbene l’editing genetico sia già in uso, CRISPR è ancora in fase di sperimentazione clinica, afferma la dott.ssa Chan. “Viene utilizzato continuamente nei laboratori di ricerca e nelle industrie”, osserva. “Molti studi clinici stanno testando CRISPR nel contesto di malattie genetiche e cancro”.

È interessante notare che CRISPR può essere utilizzato per rilevare alcune malattie. L’esempio più noto è il kit Sherlock CRISPR SARS-CoV-2: un test COVID-19 che ha ricevuto l’autorizzazione all’uso di emergenza (EAU) dalla FDA nel 2020.

“Ma al momento non esiste una terapia CRISPR approvata dalla FDA. Gli studi clinici sono in corso”, afferma.

Questi includono studi che esaminano CRISPR per correggere malattie genetiche come la fibrosi cistica, la malattia di Huntington e la distrofia muscolare.

Il dottor Chan aggiunge che sono in corso anche importanti studi clinici per le malattie del sangue, in cui CRISPR viene utilizzato per correggere l’alterazione genetica che causa la condizione. Come esempio, cita uno studio promettente che esamina l’editing genetico CRISPR-Cas9 per l’anemia falciforme e la β-talassemia, di cui si parla in un numero di inizio 2021 del Giornale di medicina del New England. La β-talassemia è una malattia ereditaria del sangue che influisce sulla capacità del corpo di creare emoglobina, una proteina densa di ferro che funge da ingrediente principale nei globuli rossi.

Ci sono anche studi clinici che cercano di vedere se CRISPR può essere usato per trattare alcuni tumori. Il dottor Chan osserva che la terapia con cellule T con recettore dell’antigene chimerico (CAR) è una delle prime terapie geniche approvate per le leucemie. La ricerca attuale sta esaminando se la tecnologia CRISPR può rendere questo trattamento ancora più efficace.

“Nella terapia con cellule T CAR, si estraggono cellule T da qualcuno e si inserisce un recettore – un nuovo modo in cui queste cellule possono prendere di mira qualcosa sulle cellule tumorali – e poi rimettere queste cellule nel paziente”, spiega. “I ricercatori stanno ora conducendo prove in cui utilizzano CRISPR per alterare quelle cellule T per renderle ancora più attive”.

Le terapie CRISPR possono assumere molte forme diverse. CRISPR è già stato inserito direttamente nel corpo. È stato notoriamente iniettato negli occhi di sette persone affette da un raro disturbo di cecità ereditaria nel 2020, due delle quali in seguito hanno dichiarato a NPR di aver riacquistato una certa capacità di vedere i colori. Al momento sono in corso studi sull’uomo che forniscono CRISPR attraverso gel e creme, attraverso cibi o bevande, innesti cutanei o iniezioni. Anche la consegna ex vivo è comune: è allora che CRISPR viene utilizzato per modificare una cellula all’esterno del corpo. Le cellule vengono quindi reinserite nel corpo utilizzando un virus innocuo.

I risultati finora sono stati promettenti. “Credo che nei prossimi tre o cinque anni, forse anche prima, vedremo l’approvazione per il trattamento di alcune malattie”, afferma il dottor Chan.

Rischi e benefici

Con qualsiasi tipo di terapia CRISPR, la dottoressa Chan afferma che esiste il rischio di ottenere “effetti fuori bersaglio” o effetti collaterali inaspettati.

“Ogni volta che si altera qualcosa di fondamentale come il DNA, semplicemente non si sa cosa potrebbe accadere”, spiega. “C’è sempre una possibilità per l’inaspettato. Potresti potenzialmente avere effetti sul tuo DNA che non erano previsti.

Al momento, non ha esempi specifici di quali potrebbero essere questi effetti e osserva che la ricerca esistente suggerisce che il rischio è piuttosto basso. Tuttavia, i dati provenienti da ricerche future potrebbero raccontare una storia diversa.

Il dottor Chan vede tuttavia “molto potenziale” per CRISPR nei prossimi anni.

“Il campo si sta muovendo molto rapidamente”, dice. “Stiamo assistendo a un miglioramento continuo degli attuali strumenti CRISPR utilizzati.

“Sta diventando più accurato e più flessibile in termini di ciò che puoi fare. Ora esistono varie varianti modificate ingegnerizzate di CRISPR che consentono modifiche molto specifiche e molto accurate con meno effetti fuori bersaglio. Quindi penso che il futuro sia molto luminoso”.

In conclusione, il CRISPR-Cas9 rappresenta una rivoluzione biotecnologica senza precedenti. La sua capacità di modificare il DNA con precisione e semplicità apre enormi possibilità in diversi ambiti, dalla cura di malattie genetiche al miglioramento delle colture. Tuttavia, l’editing genetico solleva importanti questioni etiche e di sicurezza che richiedono una riflessione approfondita e una regolamentazione rigorosa. È fondamentale bilanciare le potenzialità terapeutiche del CRISPR con la necessità di un utilizzo responsabile e consapevole, garantendo la sicurezza e il benessere delle generazioni future.