Migliaia di DNA-cutter programmabili trovati nelle alghe, nelle lumache e in altri organismi.

13 ottobre 2023

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di Jennifer Michalowski, Massachusetts Institute of Technology

Un insieme diversificato di specie, dalle lumache alle alghe alle amebe, producono enzimi programmabili per il taglio del DNA chiamati Fanzors, e un nuovo studio condotto da scienziati del McGovern Institute for Brain Research del MIT ne ha identificati migliaia. I fanzor sono enzimi guidati dall'RNA che possono essere programmati per tagliare il DNA in siti specifici, proprio come gli enzimi batterici che alimentano il sistema di modifica genetica ampiamente utilizzato noto come CRISPR. La diversità recentemente riconosciuta degli enzimi naturali Fanzor, riportata il 27 settembre sulla rivista Science Advances, offre agli scienziati una vasta gamma di enzimi programmabili che potrebbero essere adattati in nuovi strumenti per la ricerca o la medicina.

«La biologia guidata dall'RNA è ciò che ti consente di creare strumenti programmabili che siano davvero facili da usare. Quindi più ne troviamo, meglio è,' dice Omar Abudayyeh, membro della McGovern, che ha condotto la ricerca insieme a Jonathan Gootenberg, membro della McGovern.

CRISPR, un antico sistema di difesa batterica, ha chiarito quanto possano essere utili gli enzimi guidati dall’RNA quando vengono adattati per l’uso in laboratorio. Gli strumenti di modifica del genoma basati su CRISPR sviluppati dal professore del MIT e ricercatore della McGovern Feng Zhang, Abudayyeh, Gootenberg e altri hanno cambiato il modo in cui gli scienziati modificano il DNA, accelerando la ricerca e consentendo lo sviluppo di molte terapie geniche sperimentali.

Da allora i ricercatori hanno scoperto altri enzimi guida dell’RNA nel mondo batterico, molti dei quali con caratteristiche che li rendono preziosi in laboratorio. La scoperta dei Fanzor, la cui capacità di tagliare il DNA in modo guidato dall'RNA è stata segnalata dal gruppo di Zhang all'inizio di quest'anno, apre una nuova frontiera della biologia guidata dall'RNA. I Fanzor furono i primi enzimi di questo tipo a essere trovati negli organismi eucarioti, un ampio gruppo di forme di vita, tra cui piante, animali e funghi, definiti dal nucleo legato alla membrana che contiene il materiale genetico di ciascuna cellula. (I batteri, privi di nucleo, appartengono a un gruppo noto come procarioti.)

"È da molto tempo che le persone cercano strumenti interessanti nei sistemi procariotici e penso che ciò sia stato incredibilmente fruttuoso", afferma Gootenberg. "I sistemi eucariotici sono in realtà un tipo di parco giochi completamente nuovo in cui lavorare."

Una speranza, dicono Abudayyeh e Gootenberg, è che gli enzimi che si sono evoluti naturalmente negli organismi eucariotici potrebbero essere più adatti a funzionare in modo sicuro ed efficiente nelle cellule di altri organismi eucariotici, compreso l’uomo. Il gruppo di Zhang ha dimostrato che gli enzimi Fanzor possono essere ingegnerizzati per tagliare con precisione specifiche sequenze di DNA nelle cellule umane. Nel nuovo lavoro, Abudayyeh e Gootenberg hanno scoperto che alcuni Fanzor possono prendere di mira le sequenze di DNA nelle cellule umane anche senza ottimizzazione. "Il fatto che funzionino in modo abbastanza efficiente nelle cellule dei mammiferi è stato davvero fantastico da vedere," dice Gootenberg.

Prima di questo studio, centinaia di Fanzor erano stati trovati tra gli organismi eucarioti. Attraverso una vasta ricerca di database genetici guidata dal membro del laboratorio Justin Lim, il team di Gootenberg e Abudayyeh ha ora ampliato la diversità conosciuta di questi enzimi di un ordine di grandezza.

Tra gli oltre 3.600 Fanzor che il team ha trovato negli eucarioti e nei virus che li infettano, i ricercatori sono stati in grado di identificare cinque diverse famiglie di enzimi. Confrontando la composizione precisa di questi enzimi, hanno trovato prove di una lunga storia evolutiva.

I Fanzor probabilmente si sono evoluti da enzimi batterici che tagliano il DNA guidati dall'RNA chiamati TnpB. In effetti, sono state le somiglianze genetiche di Fanzors con questi enzimi batterici ad attirare per prime l'attenzione sia del gruppo di Zhang che del gruppo di Gootenberg e Abudayyeh.

Le connessioni evolutive tracciate da Gootenberg e Abudayyeh suggeriscono che questi batteri predecessori dei Fanzor probabilmente entrarono nelle cellule eucariotiche, iniziandone l'evoluzione, più di una volta. Alcuni sono stati probabilmente trasmessi da virus, mentre altri potrebbero essere stati introdotti da batteri simbiotici. La ricerca suggerisce inoltre che, dopo essere stati assorbiti dagli eucarioti, gli enzimi hanno sviluppato caratteristiche adatte al loro nuovo ambiente, come un segnale che consente loro di entrare nel nucleo della cellula, dove hanno accesso al DNA.

Attraverso esperimenti genetici e biochimici condotti dallo studente laureato in ingegneria biologica Kaiyi Jiang, il team ha stabilito che i Fanzor hanno sviluppato un sito attivo di taglio del DNA che è distinto da quello dei loro predecessori batterici. Ciò sembra consentire all'enzima di tagliare la sua sequenza bersaglio in modo più preciso: gli antenati del TnpB, quando mirati a una sequenza di DNA in una provetta, si attivano e tagliano altre sequenze nella provetta; Ai fanzor manca questa attività promiscua. Quando hanno usato una guida di RNA per dirigere gli enzimi a tagliare siti specifici nel genoma delle cellule umane, hanno scoperto che alcuni Fanzor erano in grado di tagliare queste sequenze bersaglio con un'efficienza di circa il 10-20%.

Con ulteriori ricerche, Abudayyeh e Gootenberg sperano che una varietà di sofisticati strumenti di modifica del genoma possano essere sviluppati da Fanzors. "È una nuova piattaforma e ha molte funzionalità", afferma Gootenberg.

"L'apertura dell'intero mondo eucariotico a questi tipi di sistemi guidati dall'RNA ci darà molto su cui lavorare," aggiunge Abudayyeh.

Informazioni sulla rivista: Science Advances

Fornito dal Massachusetts Institute of Technology

Questa storia è ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.