Esplorando le origini evolutive di un enzima utilizzato nel sistema di modifica del genoma CRISPR, i ricercatori hanno scoperto più di un milione di altri potenziali editor in agguato nei genomi microbici.

Lo studio, pubblicato il 9 settembre su Science, ha trovato i nuovi enzimi di editing in una famiglia di proteine ​​chiamate IscB. Si pensa che queste proteine ​​siano le antenate dell'enzima Cas9, noto come le forbici molecolari di CRISPR. Durante l'editing del genoma, Cas9 collabora con un frammento di RNA che guida l'enzima per trovare e tagliare una specifica sequenza di DNA. La dipendenza della tecnica dall'RNA come sistema di guida è una ragione chiave della sua versatilità e del suo uso diffuso, perché consente ai ricercatori di indirizzare facilmente Cas9 alla regione del genoma che vogliono alterare.

 La scoperta di altri enzimi mirati all'RNA in grado di tagliare il DNA potrebbe fornire ulteriori strumenti per l'editing del genoma, afferma l'autore principale dello studio Feng Zhang, biologo molecolare presso il Massachusetts Institute of Technology di Cambridge (MIT). "Queste proteine ​​programmabili sono molto utili, al di là dell'interesse biologico di base", afferma. "E questo meccanismo di riconoscimento del DNA guidato dall'RNA è probabilmente qualcosa che la natura ha creato indipendentemente più volte".

Sebbene i ricercatori lo abbiano sfruttato per l'ingegneria genetica, si pensa che CRISPR sia un sistema di difesa microbica che consente ai batteri e ad altri organismi unicellulari chiamati archaea di respingere virus e altri invasori genetici inviando Cas9 a masticare il loro DNA. Studi computazionali hanno suggerito che Cas9 probabilmente si è evoluto da proteine ​​della famiglia IscB, che sono codificate da trasposoni, o "geni di salto", che possono saltare in nuove posizioni nel genoma. Fino ad ora, la funzione delle proteine ​​IscB non è stata chiara.

Zhang e i suoi colleghi hanno scoperto che il DNA responsabile della codifica delle proteine ​​IscB si trova spesso vicino al DNA per una classe di molecole di RNA che hanno soprannominato ωRNA. Hanno anche scoperto che alcune proteine ​​IscB possono scindere il DNA in un sito specificato dalla sequenza di un ωRNA, proprio come Cas9 e il suo RNA guida.

Il team ha continuato a studiare un'altra famiglia di proteine, chiamata TnpB, che si pensa siano gli antenati di un altro enzima associato a CRISPR che affetta il DNA chiamato Cas12. Hanno scoperto che alcune di queste proteine ​​potrebbero anche tagliare il DNA quando guidate dall'ωRNA.

Diversità inaspettata

Le ricerche nel database hanno rivelato più di un milione di geni che potrebbero portare il codice per le proteine ​​TnpB e alcuni organismi contengono più di 100 copie di questi geni, afferma Soumya Kannan, biologa molecolare del MIT e co-primo autore dello studio.

 E i geni IscB sono apparsi non solo nei batteri e negli archei, ma anche nel cloroplasto che raccoglie la luce all'interno della cellula di un'alga. Questa è la prima volta che tali sistemi di modifica del genoma sono stati trovati in un eucariota (il gruppo di organismi le cui cellule contengono nuclei, che include tutte le piante e gli animali) - un risultato sorprendente che suggerisce che siano più diffusi di quanto si pensasse in precedenza. "Ogni volta che tengo un discorso, le persone mi chiedono sempre se abbiamo visto l'attività di CRISPR in una cellula eucariotica", afferma Zhang. "Ora posso finalmente dire 'sì'."

In natura, questi geni potrebbero svolgere varie funzioni, inclusa la difesa o la regolazione dell'espressione di altri geni. E in laboratorio, la scoperta potrebbe produrre un tesoro di strumenti di editing. Zhang e il suo team hanno scoperto che IscB potrebbe essere utilizzato per tagliare il DNA umano, sebbene con un'efficienza inferiore rispetto al popolare sistema CRISPR-Cas9. Ma Zhang dice che il sistema IscB potrebbe essere migliorato e osserva che le piccole dimensioni della proteina IscB potrebbero rendere più facile lavorare con alcune applicazioni.

Per il genetista Gaetan Burgio dell'Australian National University di Canberra, la vera bellezza dello studio è il suo contributo alla comprensione dell'evoluzione e all'assegnazione finalmente di una possibile funzione a un gruppo così ampio e prevalente di proteine ​​come le IscB. "È assolutamente affascinante", dice. "Colma una lacuna importante: non sapevamo davvero come questi sistemi CRISPR diventassero CRISPR."

fonte: Nature