Potrebbe sembrare un marchio di cereali, ma CRISPR rappresenta una delle rivoluzioni più significative della genetica durante la nostra vita. Negli ultimi mesi sono emerse storie sui ricercatori che utilizzano le proteine CRISPR-Cas per modificare efficacemente le sequenze genetiche del DNA, uccidere l'HIV, mangiare Zika come Pac-man e memorizzare una GIF nel DNA dei batteri .
Tuttavia, nonostante il potenziale di CRISPR, è una procedura incredibilmente controversa. Richiede che i filamenti di DNA vengano tagliati e completamente modificati al fine di cambiare il patrimonio genetico di una persona, e due nuovi studi hanno collegato tale tecnologia di modifica genetica a un aumento del cancro.
I giornali, uno per Novartis e l'altro dal Istituto Karolinska , pubblicato inMedicina della natura, concludono che le tecniche di terapia genica possono indebolire la capacità di una persona di combattere i tumori e potrebbero dare origine al cancro, sollevando preoccupazioni sulla sicurezza delle terapie geniche basate su CRISPR.
Ma torniamo un po 'indietro.
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I due articoli si sono concentrati sul gene p53. Ricerche precedenti hanno scoperto che alcuni tumori umani non possono svilupparsi se il gene p53 funziona come dovrebbe. Di conseguenza, p53 agisce come un meccanismo di difesa naturale per proteggere il genoma dal tipo di modifiche apportate da CRISPR-Cas9. Quando CRISPR-Cas9 viene utilizzato per modificare il trucco genetico di una persona, il gene p53 salta alla sua difesa e uccide efficacemente le cellule modificate inducendole ad autodistruggersi. In effetti, è questo gene che ha ritardato il progresso e l'efficacia della tecnica CRISPR in una serie di prove.
Tuttavia, nei casi in cui CRISPR-Cas9 ha apportato modifiche al genoma di una persona, suggerisce che il gene p53 della cellula particolare è difettoso o disfunzionale. Questo, a sua volta, può essere collegato al fatto che il corpo è meno in grado di combattere il cancro. In particolare, un p53 difettoso potrebbe causarecellule a crescere in modo incontrollabile e diventare cancerose, ed è stato collegato a casi dicancro dell'ovaio, del colon e del retto.
Raccogliendo cellule che hanno riparato con successo il gene danneggiato che intendevamo riparare, potremmo inavvertitamente raccogliere anche cellule senza p53 funzionale, autore dello studio Emma Haapaniemi del Karolinska Institute spiegato . Se trapiantate in un paziente, come nella terapia genica per malattie ereditarie, tali cellule potrebbero dare origine al cancro, sollevando preoccupazioni per la sicurezza delle terapie geniche basate su CRISPR.
Va notato, tuttavia, che avere un legame con il cancro non è la stessa cosa che causare il cancro e i risultati di questi due studi sono noti come preliminari, il che significa che è necessario un ulteriore lavoro per rafforzare o respingere i risultati. I ricercatori si affrettano anche a prendere le distanze dal dire che CRISPR è pericoloso. Al contrario, sollevano questioni valide e consigliano alle aziende e agli scienziati che si affrettano con i test clinici di essere consapevoli del collegamento.
Gli studi si concentrano anche su un tipo molto particolare di tecnica di editing CRISPR - la proteina Cas-9 utilizzata per correggere il DNA malato inserendo DNA sano e modificato - e sono necessari ulteriori lavori per vedere se altre forme di editing genetico generano preoccupazioni simili. In effetti, nel tentativo di affrontare simili critiche precedenti, i ricercatori del Salk Institute hanno recentemente segnalato una soluzione alternativa. Piuttosto che modificare i geni, il loro cosiddetto metodo CRISPR epigenetico (o sopra il gene) vedrebbe i geni attivati o disattivati, piuttosto che essere tagliati.
Modificando l'epigenoma, gli scienziati sono stati in grado di controllare il comportamento di un gene senza modificare direttamente alcun DNA; modifica genica piuttosto che modifica genetica. Negli studi sui topi, gli scienziati hanno invertito i sintomi della malattia renale, del diabete di tipo 1 e di una forma di distrofia muscolare. Ha anche il potenziale per sradicare l'Alzheimer.
Cos'è CRISPR-Cas9?
CRISPR-Cas9 è uno strumento di modifica del genoma in grado di tagliare il DNA in modo mirato, consentendo agli scienziati di modificare con precisione i mattoni della vita. Probabilmente lo vedrai menzionato insieme al duo leggermente meno famoso di CRISPR-Cas1 e CRISPR-Cas2, entrambi i quali uniscono pezzi di DNA tagliati nel genoma di un batterio (ne parleremo più avanti).
Cas9 è stato effettivamente osservato per la prima volta negli anni '80 come parte dei meccanismi di difesa dei batteri unicellulari, che garantiscono che le cellule siano in grado di rimuovere gli intrusi indesiderati. Gli scienziati hanno scoperto che, adattando la tecnologia, sono in grado di indirizzare le sequenze del genoma con velocità, precisione e accuratezza senza precedenti.
Immagina CRISPR-Cas9 come una ricerca trova e sostituisci in un documento del computer, solo che invece delle parole, stai modificando sequenze genetiche.La modifica accurata del DNA è un santo graal scientifico e il potenziale è enorme. Potrebbe essere usato per sradicare malattie - anche quelle ereditarie come la fibrosi cistica, l'anemia falciforme e l'Huntington potrebbero diventare un ricordo del passato.
Il nome CRISPR è un acronimo per le brevi ripetizioni palindromiche a grappoli meno accattivanti regolarmente intervallate. La parte Cas si riferisce a CRISPR associato.
CRISPR-Cas9: come funziona?
CRISPR fa parte delle difese naturali di alcuni batteri. Quando un batterio rileva un virus invasore, è in grado di copiare e fondere segmenti del DNA estraneo nel proprio genoma attorno a CRISPR. Cas9 esegue il taglio, mentre Cas1 e Cas2 inseriscono il DNA esterno nel genoma della cellula.
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La prossima volta che il virus viene individuato, CRISPR ha una copia esatta della sequenza del genoma a cui prestare attenzione, ed è qui che entra in gioco la proteina Cas: può tagliare il DNA e disabilitare i geni indesiderati con incredibile precisione.
O, come spiega Carl Zimmer : Man mano che la regione CRISPR si riempie di DNA virale, diventa una galleria molecolare più ricercata, che rappresenta i nemici che il microbo ha incontrato. Il microbo può quindi utilizzare questo DNA virale per trasformare gli enzimi Cas in armi a guida di precisione. Il microbo copia il materiale genetico in ogni spaziatore in una molecola di RNA. Gli enzimi Cas quindi assorbono una delle molecole di RNA e la cullano. Insieme, l'RNA virale e gli enzimi Cas passano attraverso la cellula. Se incontrano materiale genetico da un virus che corrisponde all'RNA CRISPR, l'RNA si attacca saldamente. Gli enzimi Cas quindi tagliano in due il DNA, impedendo al virus di replicarsi.
Nel 2012, gli scienziati dell'Università della California, Berkeley, hanno pubblicato un file carta innovativa dimostrando di essere in grado di riprogrammare il sistema immunitario CRISPR-Cas per modificare i geni a piacimento. CRISPR-Cas9 utilizza una specifica proteina Cas e un RNA ibrido in grado di identificare e modificare qualsiasi sequenza genica. Le possibilità sono enormi.
In breve, CRISPR elenca le sequenze di DNA da prendere di mira, quindi Cas9 esegue il taglio. Gli scienziati devono solo programmare CRISPR con il codice giusto e Cas9 fa il resto.
Ciò potrebbe applicarsi anche a geni difettosi: le sezioni che attualmente causano problemi potrebbero essere rimosse con CRISPR-Cas9 e quindi sostituite con un codice genetico sano, risolvendo teoricamente il problema.
CRISPR-Cas9: è stato usato sugli esseri umani?
Sì, in Cina . Utilizzando embrioni umani provenienti da una clinica per la fertilità, gli scienziati hanno cercato di utilizzare CRISPR-Cas9 per modificare un gene che causa la beta talassemia in ogni cellula. Va notato che gli embrioni donatori utilizzati non erano vitali e non avrebbero potuto provocare un parto vivo.
In ogni caso, fallì e fallì piuttosto gravemente: furono iniettati 86 embrioni e dopo 48 ore e circa otto cellule coltivate, 71 sopravvissero e 54 di queste furono testate geneticamente. Solo 28 erano stati giuntati con successo e pochissimi contenevano il materiale genetico previsto dai ricercatori.Se vuoi farlo in embrioni normali, devi essere vicino al 100%, capo ricercatore Ha detto Jungiu HuangNatura . Ecco perché ci siamo fermati. Pensiamo ancora che sia troppo immaturo.
Inoltre, è estremamente probabile che siano stati fatti più danni non documentati. Come la New York Times spiega :I ricercatori cinesi sottolineano che nel loro esperimento l'editing genetico ha quasi certamente causato danni più estesi di quanto documentato; non hanno esaminato l'intero genoma delle cellule embrionali.
Come puoi immaginare, ha causato un'enorme quantità di polemiche nella comunità scientifica.
Nel novembre 2016 , un altro gruppo di scienziati cinesi è diventato il primo a utilizzare CRISPR-Cas9 su un essere umano adulto, iniettando a un malato di cancro ai polmoni le cellule immunitarie del paziente modificate da CRISPR per disabilitare la proteina PD-1, teoricamente facendo combattere il corpo del paziente contro il cancro .
Quindi, in a studia pubblicato il 3 agosto, gli scienziati hanno 'modificato' con successo gli embrioni umani, rimuovendo il segmento difettoso di DNA che può portare a malattie cardiache ereditarie. È stato un risultato fondamentale e ha fornito strade per prevenire potenzialmente circa 10.000 disturbi genetici a singola mutazione (cioè malattie causate da un singolo gene difettoso) nei futuri esseri umani.
CRISPR-Cas9 ed etica
Anche se gli scienziati cinesi hanno usato embrioni che non sarebbero stati sviluppati nella vita, ci sono reali preoccupazioni etiche riguardo alla sperimentazione su embrioni umani - in effetti, solo un mese prima che la ricerca cinese fosse pubblicata, un gruppo di scienziati americani ha esortato il mondo a non farlo .
Parte di questo dipende da quanto sia immatura la tecnologia: ricorda che è in uso attivo solo dal 2012 e sarebbe sorprendente se fosse completamente matura a questo punto. Gli scienziati hanno avvertito che a questo punto era troppo frainteso e pericoloso da usare sugli esseri umani, e la ricerca cinese certamente conferma questa preoccupazione. Anche se ha funzionato in modo impeccabile, si teme che nel corso delle generazioni possano verificarsi conseguenze impreviste.
Ma, anche se fosse sicuro e di successo al 100%, ci sono altre preoccupazioni etiche: mentre nessuno sostiene che dovremmo trattenere il potenziale di spazzare via malattie genetiche killer come l'Huntington e la fibrosi cistica, CRISPR-Cas9 offre potenzialmente l'opportunità di cambiare qualsiasi cosa su una persona. Finché la sequenza genetica è identificata, in teoria, può essere modificata.
Una cosa è rimuovere le malattie che influiscono sulla vita prima della nascita, un'altra è che i genitori siano in grado di progettare i loro bambini in modo che siano più forti, più veloci o più belli. Anche se accetti che questo è qualcosa che le persone dovrebbero essere autorizzate a fare, è probabile che questo sarebbe pesantemente commercializzato, assicurando che solo i ricchi possano permettersi tutti i vantaggi extra di vita che ciò offrirebbe, influenzando in modo massiccio la disuguaglianza.
CRISPR-Cas9: Cosa è stato fatto finora?
Naturalmente, queste domande etiche sono lontane un milione di miglia quando l'unico esperimento umano embrionale registrato ha causato una battuta d'arresto di così alto profilo. Tuttavia, CRISPR-Cas9 sta ora mostrando risultati estremamente promettenti in test più piccoli.
Esempi inclusi Prevenzione dell'infezione da HIV nelle cellule umane , curare le malattie genetiche del topo e una coppia di scimmie nate con mutazioni mirate .
CRISPR sta anche emergendo come un mezzo efficace per archiviare i dati all'interno del DNA. Nel marzo 2017, una coppia di ricercatori del New York Genome Center ha pubblicato un rapporto nel Scienza journal, descrivendo i metodi per archiviare file compressi in molecole di DNA. Con l'aiuto di un algoritmo per tradurre i file in un codice binario che può essere mappato sulle basi nucleotidiche del DNA, i ricercatori sono stati in grado di codificare il totale di sei file: un documento accademico del 1948, una targa Pioneer, un sistema operativo, un virus, il film del 1895Arrivo di un treno alla stazione di La Ciotat... e un buono regalo Amazon da $ 50.
Pochi mesi dopo, un team di scienziati della Harvard Medical School ha codificato un video clip in loop nel DNA di una cellula batterica E.Coli vivente . L'obiettivo è sviluppare un sistema per fareregistratori molecolari: DNA in grado di registrare le proprie informazioni dall'ambiente circostante. Questo potrebbe essere utilizzato in tutto, dal monitoraggio dell'inquinamento del suolo, alla rivoluzione della nostra comprensione dell'attività neurologica.
Nell'ambito del programma Safe Genes di DARPA, i sette team includono ateam guidato dal dottor Amit Choudhary della Harvard Medical School che sta sviluppando metodi per controllare le zanzare che diffondono la malaria, un secondo team della Harvard Medical School che cerca di utilizzare CRISPR per rilevare e invertire le mutazioni causate dalle radiazioni. Un team della North Carolina State University guidato dal Dr. John Godwin mira a prendere di mira i sistemi di trasmissione genica nei ratti per gestire le specie invasive, mentre l'Università della California, Berkeley, desidera utilizzare CRISPR per colpire i virus Zika ed Ebola. L'elenco completo dei progetti e i dettagli del team sono disponibili sul sito Web di DARPA.
Più recentemente, il biologo strutturale Osamu Nureki dell'Università di Tokyo ha condiviso incredibili filmati di CRISPR che modifica il DNA in tempo reale che faceva parte del recente articolo del suo team, pubblicato sulla rivista Nature Communications . La clip sotto mostra CRISPR che cerca nel DNA prima di apportare le sue modifiche. Puoi vedere un filamento di DNA che si disconnette.
Il filmato è stato originariamente mostrato ai partecipanti del CRISPR 2017 conferenza che si è svolta a giugno. Il documento è stato presentato a seguito di questa conferenza ed è stato pubblicato il 10 novembre.
CRISPR-Cas9: arriverà nel Regno Unito?
Sì. Ricercatori di cellule staminali nel Regno Unito ha chiesto il permesso modificare gli embrioni umani nel tentativo di comprendere lo sviluppo umano precoce e ridurre la probabilità di aborto spontaneo. Nel febbraio 2016, ilAutorizzazione concessa dall'Autorità per la fecondazione umana e l'embriologia (HFEA).
CRISPR-Cas9: Perché CRISPR è cattivo?
Come accennato in precedenza, Cas9 può riconoscere solo sequenze genetiche di circa 20 basi di lunghezza, il che significa che le sequenze più lunghe non possono essere mirate.Più significativamente, l'enzima a volte taglia ancora nel posto sbagliato. Capire perché questo è di per sé sarà un passo avanti significativo: risolverlo sarà ancora più grande.
Poi, ovviamente, c'è il problema che CRISPR non ha funzionato molto bene negli embrioni umani e i suoi collegamenti più recenti con il cancro.
CRISPR-Cas9: chi lo possiede?
Non è una semplice domanda a cui rispondere. È soggetto a una battaglia sui brevetti in corso, sorprendentemente, dato che CRISPR è presente naturalmente in alcuni batteri.
Revisione della tecnologiaspiega che, sebbene CRISPR-Cas9 sia stato descritto per la prima volta inScienzanel 2012 da Jennifer Doudna della UC Berkeley, Feng Zhang del Broad Institute ha vinto un brevetto sulla tecnica presentando quaderni di laboratorio che dimostrano che l'aveva inventata per primo.
Il primo a depositare i diritti di brevetto significa che questo dovrebbe essere concesso a Doudna, ma la decisione avrebbe potuto essere decisa sulla base di prima di inventare regole, che avrebbero favorito Zhang. Alla fine, il caso è stato risolto nel febbraio 2017 , quando la US Patent Trial and Appeal Board ha deciso che alla UC Berkeley sarebbe stato concesso il brevetto per l'uso di CRISPR-Cas9 in qualsiasi cellula vivente, mentre Broad l'avrebbe ottenuto in qualsiasi cellula eucariotica, vale a dire cellule di piante e animali.
Immagini: Petra B Fritz , VeeDunn , Galleria di immagini NIH , e Steve Jurvetson utilizzato sotto Creative Commons
