Fermare la palla di neve genetica: Come una semplice interruzione genetica rallenta la malattia di Huntington

Sebbene il cambiamento genetico che causa la malattia di Huntington (HD) porti a diversi problemi per le cellule, i ricercatori ritengono che potrebbero derivare da un problema centrale: la lunghezza del cambiamento genetico che aumenta nel tempo, come una valanga che accumula massa mentre rotola giù per la collina. Questo fenomeno genetico, noto come instabilità somatica o espansione somatica, sembra essere un fattore chiave della progressione della malattia. In uno studio recente, gli scienziati hanno sviluppato una nuova variante di CRISPR, un potente strumento di editing genetico, per interrompere questa espansione genetica, aprendo potenzialmente la strada a nuove opportunità terapeutiche.

Una valanga genetica

L’HD è causata da un cambiamento in un gene chiamato HTT, in particolare dove le lettere genetiche C-A-G si ripetono diverse volte. Nelle persone con HD, questa sezione CAG è più lunga del normale, innescando una reazione a catena mortale all’interno delle cellule cerebrali. A differenza della maggior parte delle mutazioni, che rimangono invariate per tutta la vita, le ripetizioni CAG in HTT diventano più lunghe con l’età, come una valanga che prende velocità mentre precipita giù per la collina.

Alla nascita, la maggior parte delle persone con HD ha circa 40-50 ripetizioni CAG nel gene HTT. Nel tempo, quel numero cresce esponenzialmente all’interno delle cellule, a volte superando le 500 ripetizioni quando si sviluppano i sintomi! Se la ripetizione iniziale è al di sopra di una soglia critica (36 ripetizioni), l’espansione si trasforma in una sorta di valanga genetica nel tempo e inizia a crescere fuori controllo.

Tuttavia, l’HD non è sola; appartiene a una categoria più ampia di malattie chiamate disturbi da ripetizione trinucleotidica – un termine elegante per 3 (tri) lettere genetiche (nucleotide) che si ripetono (ripetizione – ok, quella era ovvia…). Questi disturbi condividono tutti un problema simile con mutazioni a valanga. Un esempio è l’atassia di Friedreich, causata da una ripetizione CTG crescente che peggiora anch’essa nel tempo.

L’osservazione che diverse malattie cerebrali sono causate da una ripetizione trinucleotidica crescente solleva una domanda chiave: perché le sequenze trinucleotidiche crescenti sono così tossiche per le cellule cerebrali? Normalmente, geni come HTT vengono utilizzati per produrre RNA messaggero, chiamato anche mRNA, una copia temporanea del DNA che viene utilizzata per produrre proteine, le macchine della cellula. Tuttavia, le lunghe ripetizioni trinucleotidiche fanno sì che l’RNA si attorcigli in nodi super-aggrovigliati e stabili, intasando il macchinario cellulare di produzione delle proteine. Man mano che questi RNA aggrovigliati diventano più lunghi e più abbondanti, interrompono sempre più la produzione di proteine, contribuendo infine alla morte cellulare.

Interrompere l’instabilità

E se ci fosse un modo per rompere questo effetto valanga prima che sfugga al controllo? Gli scienziati dell’Università di Harvard, guidati dal Dr. David Liu, hanno ipotizzato di poter interrompere la sequenza CAG ripetuta semplicemente sostituendo uno dei CAG con una sequenza CAA simile, ma innocua.

Interrompendo i CAG ripetuti, anche con una sequenza CAA simile, il percorso sottostante che porta alla crescita dei CAG con l’età potrebbe essere bloccato! In altre parole, inserire una sequenza CAA è come posizionare una zona di rocce sulla collina, facendo sì che la valanga si schianti contro di esse e perda slancio!

Liu e il suo team si sono ispirati a ricerche precedenti che mostravano come le interruzioni CAA sembrano ritardare l’insorgenza della malattia. Tipicamente, il numero di ripetizioni CAG predice fortemente quando qualcuno svilupperà l’HD, ma studi genetici hanno identificato persone con ripetizioni lunghe ma età di insorgenza ritardate.

Esaminati più da vicino, questi outlier genetici sono stati scoperti contenere brevi interruzioni CAA all’interno della loro sequenza CAG. Sorprendentemente, queste semplici interruzioni erano collegate a un ritardo di 12 anni nell’insorgenza della malattia! Motivati da queste osservazioni, Liu e il suo team si sono chiesti se potessero inserire intenzionalmente sequenze CAA in cellule con il gene per l’HD, e se questo potesse ricreare l’effetto protettivo.

CRISPR rompe la valanga

I cambiamenti genetici di precisione, come scambiare un CAG con un CAA, sono semplici in teoria, ma estremamente difficili in pratica. Liu e il suo team si sono rivolti a CRISPR, uno strumento di editing genetico che agisce come forbici molecolari per alterare sequenze specifiche di DNA. Hanno sviluppato un tipo speciale di CRISPR, chiamato editing di base, che cerca le ripetizioni CAG e ne sostituisce alcune con CAA.

Utilizzando cellule umane in crescita in piastre di Petri, hanno scoperto che la loro strategia di editing di base CRISPR modificava con successo la ripetizione CAG di HTT in circa l’80% delle cellule, senza segni di tossicità. Ancora più promettente, hanno scoperto che queste semplici interruzioni CAA sembravano fermare le espansioni delle ripetizioni CAG dopo 30 giorni. Hanno persino notato che le cellule modificate con CRISPR sembravano crescere più velocemente e apparire più sane!

Poiché questo tipo di CRISPR prende di mira tutte le ripetizioni CAG (non solo quella in HTT) e introduce interruzioni CAA anche in esse, dovevano confermare che altri geni non fossero stati interrotti per errore. In totale, hanno trovato circa 250 altri geni modificati da CRISPR, probabilmente perché contenevano ripetizioni CAG simili. Tuttavia, solo circa 50 di essi sono attivi nelle cellule cerebrali, e solo uno sembrava essere significativamente interrotto. Sebbene questa scoperta non escluda il rischio, suggerisce che le modifiche non intenzionali difficilmente causeranno problemi seri. Indipendentemente da ciò, minimizzare le modifiche accidentali sarà una priorità assoluta andando avanti!

Interrompere i CAG con CRISPR

Ora arriva la grande sfida: il team può far arrivare il macchinario CRISPR nelle cellule di un cervello vivente e modificare con successo le sequenze CAG? Il team di Liu ha utilizzato un modello murino di HD che porta 110 ripetizioni CAG nel suo gene HTT, e questa ripetizione cresce rapidamente con l’invecchiamento dei topi (instabilità delle ripetizioni). Per fornire CRISPR al cervello, il team ha confezionato CRISPR in un virus innocuo, che agisce come un servizio di consegna genetica, iniettando gli strumenti di editing genetico direttamente nelle cellule.

Quattro settimane dopo aver iniettato i virus caricati con CRISPR nei topi, i ricercatori hanno scoperto che circa il 30% delle cellule sembrava aver acquisito lo strumento di editing genetico. Del 30% delle cellule contenenti CRISPR, circa il 75% sembrava avere almeno un’interruzione CAA nel gene HTT. Ciò significa che circa 1 cellula cerebrale su 5 ha ricevuto con successo il cambiamento genetico protettivo – non perfetto, ma un inizio promettente! Dopo altre 12 settimane, i ricercatori hanno esaminato la lunghezza delle ripetizioni CAG e hanno scoperto che l’espansione sembrava non solo fermarsi, ma alcune ripetizioni CAG potrebbero essersi persino accorciate!

Per verificare se il loro approccio funzionasse oltre l’HD, i ricercatori hanno ripetuto i loro esperimenti in modelli cellulari e murini dell’atassia di Friedreich, un altro disturbo da espansione di ripetizioni. Entusiasticamente, hanno osservato risultati simili: fino al 55% delle cellule cerebrali sembrava contenere interruzioni delle ripetizioni, e le ripetizioni apparivano stabili nel tempo, senza mostrare segni di espansione con l’età.

CRISPR romperà il ghiaccio?

Complessivamente, questi risultati sembrano mostrare che l’espansione a valanga delle ripetizioni in HTT può essere fermata, e questo approccio potrebbe persino applicarsi ad altri disturbi da ripetizione. Tuttavia, ci sono un paio di motivi di cautela. Questo studio si è concentrato sul fatto che CRISPR potesse inserire interruzioni CAA e fermare la crescita delle ripetizioni, ma non ha valutato se questo intervento migliori i sintomi o ritardi la malattia. Conoscere l’impatto di questo tipo di approccio terapeutico sui segni e sintomi dell’HD è essenziale per determinare se debba andare avanti.

Inoltre, ridurre i cambiamenti non intenzionali a geni diversi da HTT sarà fondamentale prima di passare a studi sull’uomo. Un altro problema è la consegna – i cervelli umani sono molto più grandi dei cervelli dei topi, e far arrivare CRISPR in un numero sufficiente di cellule cerebrali per fare la differenza sarà particolarmente impegnativo.

Indipendentemente da queste attuali limitazioni, questi risultati rappresentano un importante passo avanti. Con i progressi nella precisione dell’editing genetico e metodi di consegna più efficaci, CRISPR diventerà probabilmente uno strumento potente nella lotta contro l’HD e altre malattie da ripetizione trinucleotidica.

TL;DR: I punti chiave

• Il problema: L’HD è causata da una mutazione nel gene HTT, dove le ripetizioni CAG crescono nel tempo, un processo chiamato espansione somatica. Questa “valanga genetica” sembra peggiorare la funzione delle cellule cerebrali e guidare la progressione della malattia.
• L’intuizione: Anche una piccola interruzione nella sequenza ripetuta, come scambiare un CAG con un CAA simile e innocuo, potrebbe essere in grado di rallentare o fermare l’espansione e ritardare l’insorgenza dei sintomi.
• La svolta: Gli scienziati hanno utilizzato uno strumento CRISPR raffinato (chiamato editing di base) per inserire queste interruzioni CAA potenzialmente protettive nel gene HTT.
• In laboratorio: Nelle cellule umane, l’editing di base CRISPR ha funzionato in circa l’80% delle cellule, sembrando fermare l’espansione e migliorare la salute cellulare.
• Nei topi: Dopo che CRISPR è stato somministrato tramite iniezione virale, circa il 20% delle cellule cerebrali presentava cambiamenti protettivi e le ripetizioni CAG sembravano smettere di crescere.
• Bonus: Un successo simile è stato osservato in modelli murini di un altro disturbo da ripetizione, l’atassia di Friedreich.
• Il problema: È necessario più lavoro per:
  • Dimostrare il miglioramento dei sintomi
  • Minimizzare gli effetti non intenzionali
  • Scalare la consegna al cervello umano molto più grande
• Perché è importante: Questo lavoro mostra che CRISPR potrebbe essere utilizzato per interrompere le espansioni delle ripetizioni nel tessuto cerebrale vivente, offrendo una speranza reale per il trattamento dell’HD e disturbi genetici simili.

Per saperne di più

Articolo di ricerca originale, “Base editing of trinucleotide repeats that cause Huntington’s disease and Friedreich’s ataxia reduces somatic repeat expansions in patient cells and in mice” (accesso aperto).