Primo episodio: i locus CRISPR

La perfezione della natura ha sempre spinto i ricercatori a cercare di imitarla e sfruttarla. In questa serie di articoli conosceremo una delle tecniche di editing genomico più alla moda di questi tempi che ha ricevuto il tanto ambito premio Nobel per la chimica nel 2020.

Partiremo con un viaggio nella storia per scoprire in che modo sono state scoperte queste tecnologie e come l’uomo è stato in grado di sfruttarle e usarle a suo piacimento per poi analizzare anche da un punto di vista etico la possibilità di utilizzare queste tecnologie in un futuro quasi alle porte.

Buon viaggio!

Un po’ di storia del materiale genetico

Prima di entrare nel dettaglio di questa tecnologia è necessario dare, anche ai meno esperti, un’infarinatura generale sul materiale genetico contenuto nelle cellule.

Il DNA (acido deossiribonucleico) fu isolato per la prima volta nel 1869 da Friedrich Miescher che estrasse questa molecola da linfociti contenuti nel pus presente su bende chirurgiche.

Se sei interessato alla scoperta e al primo protocollo di estrazione del DNA visita questo articolo:

Dahm, Ralf. “Friedrich Miescher and the discovery of DNA.” Developmental biology vol. 278,2 (2005): 274-88. doi:10.1016/j.ydbio.2004.11.028

Altre scoperte chiave avvengono negli anni successivi. Nel 1928 Frederick Griffith osservò che alcuni caratteri fenotipici potevano essere trasferiti da batteri morti ad altri batteri vivi e a questa informazione genetica trasferita diede il nome di principio trasformante.

Solo nel 1944 Oswald T. Avery, Colin MacLeod e Maclyn McCarty dimostrarono che questo “principio trasformante” non era di natura proteica ma era DNA. La conferma che il DNA è il vettore dell’informazione genetica avvenne nel 1952 quando Alfred Hershey e Martha Chase usarono un virus (Batteriofago T2) con DNA marcato con fosforo radioattivo, dopo aver infettato un batterio, ritrovarono questo isotopo anche nella progenie virale cosa che non successe quando usarono zolfo radioattivo che marcava le proteine.

La composizione del DNA viene scoperta nel 1929 da Phoebus Levene che identifica le basi azotate adenina, timina, citosina e guanina, ma la struttura tridimensionale venne osservata per la prima volta nel 1953: Rosalind Franklin e Maurice Wilkins dimostrarono la struttura regolare e ripetuta a elica, James Watson e Francis Crick perfezionarono la definizione in struttura a doppia elica dove l’adenina è sempre associata alla timina e la citosina alla guanina.

Nel 1957 Francis Crick propose il celebre Dogma Centrale secondo il quale l’informazione contenuta nel DNA viene trascritta in RNA e successivamente tradotta in proteine.

A questo link trovi un riepilogo degli avvenimenti più importanti:

La scoperta del DNA è molto recente e la ricerca sta procedendo a velocità sostenuta sia in campo medico ma anche in quello agrario e alimentare per creare dei nuovi prodotti innovativi e resistenti.

Scoperta delle regioni CRISPR

Nel 1989, Francisco Mojica, un dottorando dell’Università di Alicante, durante i suoi studi su Haloferax mediterranei (Archea alofili) trovò delle particolari strutture nel loro DNA che si ripetevano ad intervalli regolari mai osservate prima nei microorganismi. Queste strutture erano costituite da sequenze di 30 basi circa, con regioni palindromiche (vedi nel box verde il significato), intervallate da sequenze diverse tra loro di circa 36 basi. Ritrovò presto queste sequenze anche in altri microorganismi estremofili come H. volcanii.

Nello stesso periodo anche un gruppo di ricercatori giapponese trovò queste sequenze ripetute in un batterio molto famoso, l’E. Coli.

Inizialmente queste regioni erano chiamate SRSR (Short Regularly Spaced Repeats), una definizione più specifica è stata data negli anni successivi ed è così che nacque CRISPR (Clustered Regularly Intespaced Short Palindromic Repeats): brevi ripetizioni palindromiche raggruppate e separate ad intervalli regolari.

NOTA
Sequenze palindromiche: sono sequenze nucleotidiche del genoma che lette in direzione 5’-3’ risultano identiche se lette in direzione 3’-5’.

Quando questa struttura presenta, esattamente al centro, delle altre basi nucleotidiche possono causare la formazione di particolari strutture primarie del materiale genico. Se è interessata un’unica catena la struttura si chiamerà forcina, se sono entrambe le catene coinvolte la struttura è detta a croce.

Nel 2002 alcuni ricercatori hanno scoperto la presenta di geni nelle immediate vicinanze dei locus CRISPR chiamandoli CAS (Crispr-Associated). Di questi geni parleremo in modo più approfondito nei prossimi articoli. (Link)

L’origine e la funzione dei locus CRISPR era ancora sconosciuta.

Scoperta dell’origine dei locus CRISPR

Nel 2003, Francisco Mojica, decise di concentrarsi sugli spacer e ricercò nei database delle similitudini tra queste regioni e altre sequenze di DNA note. In una settimana di analisi, Mojica, trovò correlazioni tra la maggior parte degli spacer e delle regioni del materiale genetico di diversi virus.

Si ipotizzò per la prima volta la funzione di queste sequenze CRISPR e dei geni CAS che secondo Mojica era quella di proteggere i microorganismi da attacchi virali con un ancestrale sistema immunitario adattativo.

Con questo concludo il primo articolo sul sistema di modificazione genica CRISPR-CAS. Nei prossimi “episodi” cercheremo di capire come vengono trasferite alcune regioni dal DNA virale al genoma dei microorganismi e perché si sviluppa un’immunità adattativa.

Grazie per la tua curiosità!

Bibliografia e letture consigliate

[1] Lander, Eric S. “The Heroes of CRISPR.” Cell vol. 164,1-2 (2016): 18-28. doi:10.1016/j.cell.2015.12.041
[2] Bolotin, Alexander et al. “Clustered regularly interspaced short palindrome repeats (CRISPRs) have spacers of extrachromosomal origin.” Microbiology (Reading, England) vol. 151,Pt 8 (2005): 2551-2561. doi:10.1099/mic.0.28048-0
[3] Mojica, Francisco J M, and Francisco Rodriguez-Valera. “The discovery of CRISPR in archaea and bacteria.” The FEBS journal vol. 283,17 (2016): 3162-9. doi:10.1111/febs.13766

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