La piattaforma evoCAST potrebbe rivelarsi utile per le patologie causate da tante mutazioni diverse nello stesso gene, come fibrosi cistica e malattia di Stargardt
Recentemente David Liu ha vinto il Breakthrough Prize per l’invenzione di due strumenti che consentono di intervenire sul genoma in modo circoscritto. Il prime editing permette di riscrivere un breve tratto di DNA, mentre il base editing corregge la singola lettera. Ma ci sono casi in cui, anziché correggere una mutazione nel gene difettoso, può essere conveniente inserire in modo controllato una copia ben funzionante dello stesso gene. È questa la missione di evoCAST, l’ultimo gioiello uscito dal Broad Institute nei pressi di Boston, la fucina degli strumenti CRISPR di nuova generazione. Il potente sistema messo a punto da Liu e colleghi è stato presentato su Science e promette un salto di qualità per le inserzioni di grosse dimensioni.
Il nuovo approccio si basa sull’utilizzo di un complesso enzimatico che in natura serve a far saltare i geni mobili, i cosiddetti trasposoni. Esiste un particolare gruppo di enzimi della classe delle trasposasi che hanno “imparato” a utilizzare CRISPR per dirigere i salti verso punti precisi del genoma. In effetti la sigla CAST significa proprio “trasposasi associata a CRISPR”, mentre il prefisso “evo” allude al fatto che lo strumento è stato ottimizzato con un approccio di evoluzione diretta.
Feng Zhang, un altro pioniere di CRISPR in forza al Broad Institute, era stato tra i primi a esplorare il potenziale delle trasposasi per l’editing genomico. Il vantaggio offerto dal processo di trasposizione, rispetto alle classiche forbici genetiche CRISPR, è che avviene senza recidere la doppia elica del DNA e senza coinvolgere i meccanismi di riparazione cellulare. Lo svantaggio è che le trasposasi batteriche, come quella studiata da Zhang nel 2019, sono decisamente inefficienti quando vengono impiegate nelle cellule degli organismi superiori. Per superare l’ostacolo della bassa efficienza Liu ha unito le forze con Samuel Sternberg della Columbia University, che negli ultimi anni si era distinto per i suoi contributi alla caratterizzazione delle CAST.
I ricercatori hanno fatto ricorso a un approccio evoluzionistico chiamato PACE sviluppato anch’esso dal gruppo di Liu (l’acronimo sta per evoluzione continua assistita da fagi). In pratica hanno preso i geni per i componenti di un sistema CAST batterico, il cui perno è una trasposasi originaria di Pseudoalteromonas. Quindi li hanno inseriti in un virus che infetta i batteri (fago) e hanno creato condizioni tali da selezionare i virus con le versioni migliori del complesso enzimatico, quelle più attive e accurate. Alcuni componenti sono stati progettati razionalmente a tavolino, ma la gran parte del lavoro l’ha fatta l’evoluzione, a suon di mutazioni casuali e selezione darwiniana, nel corso di centinaia di generazioni virali. In questo modo gli scienziati hanno ridisegnato l’architettura del sistema CAST, ottenendo una variante ottimizzata in grado di funzionare bene nelle cellule umane, centinaia di volte più efficiente della versione “naturale”. Quindi l’hanno messa alla prova facendole trasportare segmenti di DNA lunghi oltre diecimila lettere, abbastanza grandi da contenere un intero gene con i suoi elementi regolatori.
È bene precisare che gli esperimenti con evoCAST sono solo agli inizi e le applicazioni terapeutiche sono ancora lontane. In teoria, comunque, questo approccio sarebbe l’ideale per trattare le patologie genetiche causate da un gran numero di mutazioni a carico dello stesso gene. Due classici esempi sono la fibrosi cistica, con oltre 400 mutazioni catalogate sul gene CFTR capaci di innescare gravi danni multiorgano, e la malattia di Stargardt, con oltre 500 mutazioni sul gene ABCA4 che comportano la perdita della vista. L’obiettivo di sviluppare una terapia mirata per correggere la specifica mutazione di ogni singolo paziente appare ancora lontano per ragioni di tempi e di costi. Integrare lo stesso gene in un sito sicuro, invece, renderebbe la stessa terapia applicabile a tanti se non a tutti. Il sistema potrebbe anche contribuire ad accelerare lo sviluppo di terapie CAR-T contro il cancro, oltre a rendere più semplice la creazione di modelli animali delle malattie umane.
È importante, dunque, che la cassetta degli attrezzi dell’editing si sia arricchita di questo nuovo strumento e che l’evoluzione tecnologica di CRISPR stia andando avanti. Nel 2022 Osservatorio Terapie Avanzate aveva già riferito di un sistema analogo anche se meno efficiente chiamato PASTE, poi nel 2024 è arrivato PASSIGE (un approccio ibrido che utilizza sia il prime editing sia l’enzima ricombinasi) e ora abbiamo evoCAST che ha il difetto di essere ingombrante ma è abbastanza semplice da usare perché comporta un solo passaggio enzimatico anziché due. Il bello è che, secondo i ricercatori, abbiamo appena iniziato a grattare la superficie di ciò che è possibile: la natura ha inventato una moltitudine di stratagemmi molecolari e i ricercatori hanno imparato a dirigerne l’evoluzione per trasformare i sistemi naturali in strumenti ancora più affilati.
