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CRISPR-Cas9 come strumento di editing genetico programmabile

2012
  • Jennifer Doudna
  • Emmanuelle Charpentier
Biotechnology laboratory with CRISPR-Cas9 gene editing tools and modified cells.

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 genome editing was a landmark achievement in molecular biology. 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.

This simplification was revolutionary because it meant that to retarget the Cas9 nuclease to a new DNA site, one only needed to synthesize a new sgRNA with a different 20-nucleotide guide sequence. This made the technology remarkably easy to use, cheap, and scalable compared to previous editing methods like Zinc Finger Nucleases (ZFNs) and TALENs, which required complex and costly protein engineering for each new target. When the Cas9-sgRNA complex is introduced into a cell, it locates its target DNA sequence and creates a double-strand break (DSB). The cell’s natural DNA repair machinery then takes over. The error-prone Non-Homologous End Joining (NHEJ) pathway often introduces small insertions or deletions (indels), effectively knocking out the gene. Alternatively, if a donor DNA template is supplied, the more precise Homology-Directed Repair (HDR) pathway can be used to insert new sequences or correct mutations.

UNESCO Nomenclature: 3101
– Biotechnology

Tipo

Biotechnology

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

Potenziali idee innovative

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