Comprendere come funzionano le vie di riparo del DNA nei neuroni, diversi dalle cellule in divisione, può aiutare lo sviluppo di terapie geniche per le malattie neurologiche
Le tecniche di editing genetico, come Crispr-Cas9, permettono di modificare in modo mirato il DNA introducendo un taglio in un punto preciso e favorendo la sostituzione di sequenze specifiche. Non è però il taglio in sé, ma il modo in cui la cellula ripara quella rottura, a determinare il successo dell’intervento. Nei neuroni – cellule che non si dividono e devono mantenere l’integrità del loro genoma per tutta la vita – questi meccanismi seguono regole diverse, ancora poco comprese. Uno studio pubblicato su Nature Communications da un team dei Gladstone Institutes, dell’Innovative Genomics Institute e dell’Università della California mostra che i neuroni rispondono a CRISPR in modo profondamente diverso rispetto alle cellule in divisione, con implicazioni dirette per lo sviluppo di terapie geniche contro le malattie neurologiche.
CRISPR E I SISTEMI DI RIPARAZIONE DEL DNA
Gli strumenti di gene editing non “scrivono” direttamente una nuova sequenza di DNA. Crispr-Cas9, ad esempio, introduce una rottura mirata che la cellula può riparare copiando una sequenza di riferimento fornita dall’esterno oppure attraverso meccanismi meno precisi, che introducono piccoli “errori” nella sequenza. A seconda della via di riparazione attivata, il risultato può essere l’inattivazione di un gene mutato, la sostituzione di una sequenza difettosa con una corretta o la comparsa di inserzioni o delezioni non intenzionali.
Per questo, il successo di una terapia basata sull’editing genetico non dipende solo dalla precisione del taglio, ma soprattutto dal controllo dei meccanismi di riparo che lo seguono. Finora, tuttavia, questi processi sono stati studiati quasi esclusivamente in cellule che si dividono rapidamente, come le cellule staminali o linee cellulari.
LA SFIDA DELLE CELLULE POST-MITOTICHE
Alcune cellule, però, si dividono molto lentamente o non si dividono affatto. L’esempio più evidente sono i neuroni, che non proliferano né si rigenerano dopo la maturità (benché alcune evidenze recenti suggeriscano che una certa quota di neurogenesi potrebbe avvenire anche nel cervello adulto): a partire dai 30 anni iniziano progressivamente a morire per apoptosi e, dopo i 70 anni, se ne possono perdere fino a 100.000 al giorno.
La perdita neuronale è un processo fisiologico e inevitabile, ma alcune malattie neurodegenerative, spesso causate da mutazioni genetiche dominanti, possono accelerarlo e amplificarlo. CRISPR potrebbe rappresentare uno strumento promettente per intervenire su questi geni difettosi nel cervello, ma finora i tentativi di editing nelle cellule nervose hanno prodotto risultati limitati. Il problema risiederebbe proprio nella natura dei neuroni, cellule post-mitotiche in cui i meccanismi di riparo del DNA sono profondamente diversi da quelli delle cellule in rapida divisione.
NEURONI E STAMINALI A CONFRONTO
Per testare questa ipotesi, i ricercatori hanno confrontato cellule con la stessa base genetica ma con comportamenti biologici opposti: cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC), capaci di dividersi, e neuroni derivati dalle stesse iPSC, quindi post-mitotici. Il sistema Crispr-Cas9 è stato utilizzato per colpire la medesima sequenza di DNA nei due tipi cellulari: due sistemi quasi identici che differiscono solo per la capacità di dividersi.
L’esperimento ha dimostrato che nei neuroni Cas9 rimane attivo molto più a lungo – fino a un mese – mentre nelle cellule in divisione l’attività di editing si esaurisce in pochi giorni. Se da un lato questa persistenza aumenta le probabilità di ottenere il taglio desiderato, dall’altro espone la cellula a un rischio maggiore di modifiche fuori bersaglio i cosiddetti “off target”), con potenziali implicazioni per la sicurezza di una futura terapia.
Anche gli esiti dell’editing differiscono tra i due tipi cellulari. Nei neuroni lo spettro delle modifiche generate è molto più ristretto rispetto a quello osservato nelle cellule in divisione, suggerendo la presenza di un numero più limitato di vie di riparo attive. Questa caratteristica non è necessariamente uno svantaggio: pur riducendo il numero di modifiche (e quindi di strategie terapeutiche) possibili, rende l’esito dell’editing più prevedibile, un aspetto cruciale in ambito clinico, dove ogni cellula dovrebbe essere modificata nello stesso modo.
MODULARE LE VIE DI RIPARAZIONE CELLULARI
Analizzando più a fondo la risposta dei neuroni al danno genetico, il team ha scoperto che alcune vie di riparo del DNA - ritenute inattive nelle cellule che non si dividono - vengono invece attivate in seguito al taglio indotto da Cas9. Studiando questi meccanismi, i ricercatori hanno identificato nuovi bersagli molecolari capaci di orientare la riparazione verso gli esiti desiderati e di ridurre la frequenza di inserzioni o delezioni non intenzionali. Strategie che si sono dimostrate efficaci non solo nei neuroni, ma anche in altre cellule post-mitotiche, come i cardiomiociti.
Per tradurre queste osservazioni in uno strumento pratico, il gruppo ha sviluppato nanoparticelle lipidiche in grado di veicolare simultaneamente Crispr-Cas9 e molecole capaci di modulare specifiche vie di riparo del DNA, sfruttando l’ampia finestra temporale in cui i meccanismi di riparazione neuronali rimangono attivi dopo il rilascio di Cas9. In questo modo, è possibile non solo introdurre una rottura mirata nel DNA, ma anche influenzare attivamente il modo in cui quella rottura viene riparata, e quindi il tipo di modifica finale.
Lo studio apre così a una nuova prospettiva per l’editing genetico, in cui l’intervento non si limita al taglio del DNA, ma include il controllo dei processi che lo seguono. Un passaggio particolarmente cruciale per le malattie neurologiche, spesso causate da mutazioni dominanti, dove l’inattivazione precisa dell’allele patologico può fare la differenza tra efficacia e fallimento terapeutico.
