Il CasRx (magenta) punta l'RNA nel nucleo di cellule umane (grigio). Fonte: Istituto SalkLa maggior parte delle persone ha sentito parlare della tecnologia di modifica genetica CRISPR / Cas9, che è come una forbice molecolare mirata che taglia e sostituisce i geni che causano malattie con quelli sani.

Ma il DNA è solo una parte della storia; molte malattie genetiche sono causate da problemi con l'RNA, una copia funzionante del DNA che viene tradotta in proteine.

Ora, scienziati del Salk Institute hanno creato un nuovo strumento che punta non il DNA, ma l'RNA, e lo ha usato per correggere uno squilibrio proteico nelle cellule di un paziente con demenza, riportandole a un livello sano.

Il nuovo strumento del Salk, chiamato CasRx, apre all'ingegneria genetica il vasto potenziale dell'RNA e delle proteine, dando ai ricercatori un modo efficace per sviluppare nuove terapie geniche e studiare le funzioni biologiche fondamentali. Il lavoro è apparso su Cell il 15 marzo 2018.

"I bioingegneri sono come detective della natura, alla ricerca di indizi negli schemi del DNA per aiutare a risolvere i misteri delle malattie genetiche", dice Patrick Hsu, autore senior del nuovo studio. "Il CRISPR ha rivoluzionato l'ingegneria genomica e volevamo espandere la cassetta degli attrezzi dal DNA all'RNA".

I CRISPR sono sistemi immunitari batterici che contengono molti enzimi di difesa come le 'forbici molecolari' Cas9, che gli scienziati, tra cui Hsu, hanno progettato come un potente strumento di modifica dei geni, che punta al DNA. Il team di Salk ha deciso di cercare i genomi batterici per nuovi enzimi CRISPR che potrebbero puntare l'RNA, e che quindi potrebbero essere progettati per risolvere i problemi con l'RNA e le proteine ​​risultanti.

Un certo messaggio RNA, ad esempio, può essere espresso a vari livelli e il suo equilibrio rispetto ad altri RNA è fondamentale per una funzione sana. Inoltre, l'RNA può essere montato in vari modi per produrre diverse proteine, ma i problemi con lo splicing [montaggio] possono portare a malattie come l'atrofia muscolare spinale, la fibrosi cistica atipica e la demenza frontotemporale (FTD).

Quindi un farmaco che prende di mira RNA tossici, o RNA derivanti da uno splicing improprio, potrebbe avere un impatto che cambia la vita per le persone con questo tipo di malattie devastanti.

"Abbiamo iniziato il progetto dall'ipotesi che diversi sistemi CRISPR potessero essere specializzati durante una corsa agli armamenti evolutiva tra i batteri e i loro virus, dando loro potenzialmente la possibilità di individuare l'RNA virale", spiega Silvana Konermann, ricercatrice del Salk e prima autrice della ricerca.

Il team ha sviluppato un programma di calcolo per  cercare nei database di DNA batterico le firme rivelatrici dei sistemi CRISPR: modelli con ripetizioni particolari di sequenze di DNA. Nel fare ciò, hanno scoperto una famiglia di enzimi CRISPR che punta l'RNA e lo ha chiamato Cas13d.

Il team si è reso conto che, proprio come la famiglia Cas9, gli enzimi Cas13d originati da diverse specie batteriche variavano nella loro attività, quindi hanno eseguito una selezione per identificare la versione migliore da usare nelle cellule umane. Quella versione è risultata dal batterio dell'intestino Ruminococcus flavefaciens XPD3002, che li ha portati a chiamare il loro strumento CasRx.

"Una volta che abbiamo progettato il CasRx per funzionare bene nelle cellule umane, volevamo davvero metterlo alla prova", dice Konermann. Ciò ha significato progettare il CasRx per affrontare una condizione correlata alla malattia: in questo caso, il disturbo neurodegenerativo demenza frontotemporale (FTD). In questa demenza, nei neuroni c'è uno sbilancio nel rapporto tra due versioni della proteina tau (implicata anche nell'Alzheimer).

Il team ha progettato geneticamente il CasRx per individuare sequenze di RNA per la versione della proteina tau che è sovrabbondante. Lo hanno fatto inglobando il CasRx in un virus e portandolo su neuroni cresciuti da cellule staminali di un paziente con FTD. Il CasRx era efficace all'80% nel riequilibrare i livelli di proteina tau a livelli sani.

Rispetto alle altre tecnologie che puntano l'RNA, il CasRx è unico per le sue dimensioni ridotte (che facilitano il confezionamento di vettori virali rilevanti dal punto di vista terapeutico), il suo alto grado di efficacia e il fatto che non ha creato effetti fuori bersaglio visibili rispetto all'interferenza dell'RNA.

Il team del Salk è entusiasta delle possibilità aperte dal suo strumento per esplorare nuove domande biologiche sull'RNA e sulle funzioni delle proteine, nonché sulle terapie per contrastare l'RNA e le malattie basate su proteine. "La natura è piena di tanti segreti", aggiunge Hsu. "È davvero una risorsa ricca e inutilizzata per inventare nuove tecnologie".