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CRISPR-Cas9 come strumento di editing genetico programmabile

2012
  • Jennifer Doudna
  • Emmanuelle Charpentier
Laboratorio di biotecnologie con strumenti di editing genetico CRISPR-Cas9 e cellule modificate.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Il sistema naturale CRISPR-Cas9 è stato riadattato in una rivoluzionaria tecnologia di editing genetico. Fondendo i due componenti essenziali dell'RNA (crRNA e tracrRNA) in un RNA guida singolo sintetico (sgRNA), gli scienziati hanno creato un semplice sistema a due componenti. Questo sgRNA indirizza la nucleasi Cas9 verso qualsiasi punto desiderato del DNA per creare una rottura precisa del doppio filamento, che può quindi essere riparata dalla cellula per introdurre mutazioni mirate o inserire nuovo materiale genetico.

The transformation of the CRISPR-Cas9 bacterial immune system into a universal tool for editing del genoma was a landmark achievement in biologia molecolare. The key insight was recognizing its potential for being reprogrammed. In its natural form, the Type II system uses three components: the Cas9 protein, a crRNA that contains the targeting sequence, and a tracrRNA that is crucial for crRNA maturation and Cas9 activation. The Doudna and Charpentier labs demonstrated that this system could be simplified. They engineered a single chimeric RNA, which they termed a single-guide RNA (sgRNA), by linking the 3′ end of the crRNA to the 5′ end of the tracrRNA with a synthetic hairpin loop. This sgRNA retained all the necessary functions of the dual-RNA system.

Questa semplificazione è stata rivoluzionaria perché significava che per reindirizzare la nucleasi Cas9 verso un nuovo sito di DNA, era sufficiente sintetizzare un nuovo sgRNA con una diversa sequenza guida di 20 nucleotidi.

UNESCO Nomenclature: 3101
Ciò ha reso la tecnologia straordinariamente facile da usare, economica e scalabile rispetto ai precedenti metodi di editing come Zinc Finger Nucleases (ZFN) e TALEN, che richiedevano un’ingegneria proteica complessa e costosa per ogni nuovo target.

Tipo

Quando il complesso Cas9-sgRNA viene introdotto in una cellula, individua la sequenza di DNA bersaglio e crea una rottura del doppio filamento (DSB).

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • scoperta del meccanismo naturale crispr-cas9 nei batteri
  • identificazione e caratterizzazione funzionale del tracrrna
  • comprensione dei meccanismi di riparazione del DNA cellulare (nhej e hdr)
  • precedenti tecnologie di editing genetico come zfns e talens, che hanno stabilito il principio delle rotture mirate del doppio filamento
  • progressi nella sintesi dell'RNA e nelle tecniche di ingegneria genetica

Applicazioni

  • terapia genica per malattie genetiche come l'anemia falciforme e la beta-talassemia
  • sviluppo di colture e bestiame resistenti alle malattie
  • creazione di modelli animali per le malattie umane
  • ricerca sulla genomica funzionale per studiare la funzione dei geni (geni knockout)
  • sviluppo di diagnosi rapide per le malattie infettive
  • immunoterapia del cancro (ad esempio, terapia con cellule car-T)

Brevetti:

  • US8697359B1
  • US10000772B2
  • EP2771468B1

Idee e potenziali innovazioni

  • creating ‘gene drives’ to eradicate disease vectors like mosquitoes
  • engineering crops to sequester more carbon in their roots to combat cambiamento climatico
  • developing personalized cancer therapies by editing a patient’s immune cells to target their specific tumor
  • ‘de-extinction’ projects aiming to resurrect species like the woolly mammoth
  • ingegneria dei microbi intestinali per produrre farmaci terapeutici direttamente all'interno del corpo
  • creare animali domestici ipoallergenici eliminando i geni responsabili dei principali allergeni
  • sviluppare registratori di dati viventi programmando le cellule a modificare il proprio DNA in risposta agli stimoli ambientali
  • engineering plants to produce vaccini and other pharmaceuticals (molecular farming)
  • correggere i disturbi genetici negli embrioni umani (editing della linea germinale), sollevando un significativo dibattito etico
  • creare organi di donatori universali dai maiali eliminando i geni che causano il rigetto negli esseri umani
Il meccanismo naturale di riparazione del DNA della cellula prende quindi il sopravvento.

Contesto storico

decimo anno anniversario

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