CRISPR/cas9: l'editing genetico che sta cambiando la biologia e le nuove terapie geniche

Nell'ambito delle biotecnologie, ultimamente sono state sviluppate diverse metodologie che, ricorrendo ad endonucleasi a elevatissima precisione di taglio, consentono di inattivare geni oppuredi introdurne d nuovi in qualsiasi porzione del genoma. Queste strategie ricadono sotto il nome di "genome editing", ovvero editing genetico: come si può notare dal nome, permettono di operare interventi mirati sulle sequenze di DNA da correggere, come ad esempio la sequenza di un gene non funzionante, proprio come si farebbe con gli strumenti di "taglia e incolla", quando si vuole modificare un testo.

Tra le varie metodologie, quella più utilizzata oggi è il sistema CRISPR/cas9. Questo sistema è stato scoperto per la prima volta nei batteri negli anni '80, ma solo nel 2012 le ricercatrici Jennifer Doudna ed Emmanuelle Charpentier hanno dimostrato come potesse essere trasformato in uno strumento per modificare il DNA con precisione. Per il duro lavoro di ricerca compiuto, hanno ricevuto il premio Nobel per la chimica nel 2020.

Come funziona?

Il sistema CRISPR/cas9 nei batteri è utilizzato come difesa contro i virus: quando uno di questi attacca, il batterio conserva un frammento del suo DNA nelle sequenza CRISPR (Clustered Regurarly Interspaced short palindromic Releats). Se il virus ritorna, la proteina Cas9, guidata da un RNA complementare (definito RNA guida), riconosce il DNA virale e lo taglia, impedendo l'infezione.

Come può essere utilizzato questo sistema negli esseri viventi?

Per le applicazioni di editing del genoma, è fondamentale l'azione dell'endonucleasi batterica cas9. L'RNA guida legato a quest'ultima conduce l'endonucleasi alla posizione desiderata, dove verrà operato il taglio nella sequenza di DNA appaiato all'RNA guida. Il taglio può dunque portare all'inattivazione del gene. A livello dell'interruzione è possibile inserire un nuovo gene oppure sostituire una sequenza "difettosa" con quella corretta, ripristinando la funzionalità del gene. Dunque, l'intero processo può essere ricondotto a tre passaggi principali: progettazione dell'RNA guida, taglio del DNA e riparazione del DNA. A questo punto la cellula può: riparare il taglio, introducendo piccoli errori, o inserire una nuova sequenza di DNA progettata dai ricercatori. Il sistema si presenta dunque come un "kit taglia e cuci", utile per intervenire in modo preciso sul genoma.

Nell’immagine qui riportata

viene spiegato l’intero processo.

Quali possono essere le sue pplicazioni?

Esistono molte applicazioni di questo sistema, usato principalmente in ambito scientifico e medico. Ad esempio, si sta studiando l'uso di CRISPR per potenziare il sistema immunitario e renderlo più efficace contro i tumori; è possibile inoltre contrastare malattie infettive quali l'HIV, mirando al DNA dei virus delle cellule infette; nell'ambito agricolo e dell'allevamento si possono creare varietà resistenti a parassiti o cambiamenti climatici, come anche animali con migliori caratteristiche produttive o di salute.

Bisogna però sottolineare come il metodo CRISPR possa correggere mutazioni genetiche responsabili di malattie come la fibrosi cistica, la distrofia muscolare, alcune forme di cecità ereditaria e l'anemia falciforme. In particolare, in Europa è stata approvata la prima terapia genica basata su CRISPR/cas9: il trattamento, chiamato Casgevy (exagamglogene autotemcel, o exa-cel) è progettato per la cura di due malattie rare del sangue, ovvero la beta-talassemia e l'anemia falciforme severa, caratterizzata da crisi vaso-occlusive ricorrenti. Oggi questo trattamento interessa più di 8mila pazienti di età pari e non superiore a 12 anni.

È opportuno fare un approfondimento su queste due malattie, in modo da comprendere a pieno il funzionamento della terapia di editing genetico.

La beta talassemia e l’anemia falciforme sono malattie rare del sangue causate da mutazioni che alterano la produzione di emoglobina, la proteina contenuta nei globuli rossi che permette il trasporto dei gas respiratori (ossigeno e anidride carbonica). Le persone che ne sono affette, specie se in forma grave, hanno durata e qualità della vita significativamente più basse rispetto alla popolazione sana: la

maggioranza è costretta a continui trattamenti sanitari (trasfusioni, terapia ferro-chelante) per cercare di alleviare i sintomi che vanno dall’anemia al dolore grave e debilitante, ai danni agli organi.

La terapia risolutiva, definita da Franco Locatelli (direttore del dipartimento di Ematologia e oncologia pediatrica dell'ospedale pediatrico Bambino Gesù e sperimentatore di dell' exa-cel) come "il potenziale per trasformare la vita dei pazienti), consiste in un trapianto di cellule staminali ematopoietiche (cioè i precursori delle cellule del sangue) da un donatore sano compatibile, ma solo una minima parte dei pazienti ha questa possibilità. Le cellule staminali e progenitrici dei globuli rossi vengono prelevate dal paziente stesso e modificate in laboratorio grazie alla tecnica taglia e cuci Crispr/cas9 per poi essere reinfuse. L’editing del DNA in exa-cel non corregge le mutazioni che causano anemia falciforme e beta-talassemia, ma introduce una modifica che aumenta l’espressione di un altro gene, quello dell’emoglobina fetale. L’emoglobina fetale, una forma di emoglobina che di norma viene sostituita dopo la nascita, ha una capacità di legare l'ossigeno più elevata rispetto alla forma dell’adulto e per questo amplificare la sua produzione nei pazienti dovrebbe essere sufficiente a ripristinare il corretto funzionamento dei globuli rossi, aiutando a ridurre o a eliminare le crisi vaso-occlusive nei pazienti con anemia falciforme e la dipendenza dalle trasfusioni in quelli con la beta-talassemia dipendente da trasfusioni.

Oltre vari dilemmi etici, a cosa possono portare gli studi su CRISPR/cas9?

Nonostante l'ormai noto potenziale, CRISPR/cas9 solleva grandi dilemmi etici, soprattutto per l'uso dell'uomo. Alcuni di questi si basano sulle teorie di editing su embrioni, teorizzati da un ricercatore cinese nel 2018. Quest'ultimo dichiarò di aver creato due gemelle con DNA modificato per resistere all'HIV: la comunità scientifica condannò l'esperimento per la mancanza di sicurezza e trasparenza, in quanto l'editing su embrioni modifica l'intero patrimonio genetico, trasmettendo i cambiamenti anche alle generazioni future. Inoltre sono da considerare anche eventuali rischi collaterali, molto rari, in quanto CRISPR può operare tagli anche in punti non previsti, generando mutazioni non desiderate. Da un punto di vista economico, inoltre, c'è il rischio che queste tecnologie diventino disponibili solo per pochi privilegiati, aumentando le disuguaglianze sociali e sanitarie. Per questi motivi molti paesi vietano o limitano l’uso del gene editing in embrioni umani, mentre sono più aperti all’uso terapeutico somatico (su cellule non riproduttive). Tuttavia, il CRISPR/cas9 si sta evolvendo.

Nuove versioni come CRISPR base editing e prime editing promettono maggiore precisione, evitando persino il taglio del DNA. Inoltre, la ricerca si orienta sempre più verso un uso sicuro, controllato ed eticamente responsabile. In futuro, potremmo arrivare a: prevenire malattie genetiche alla nascita, personalizzare le terapie per ogni individuo e riparare tessuti o organi malati con cellule corrette geneticamente. Ma tutto questo dovrà andare di pari passo con norme etiche, giuridiche e sociali che garantiscano equità, sicurezza e responsabilità.

a cura di Nicola Confuorto