Compact type II-D Cas9 nucleases for efficient and specific genome editing

Immaginate un mondo in cui i medici possano riscrivere le istruzioni genetiche all'interno delle cellule di una persona vivente per curare malattie che non hanno altri trattamenti. Per farlo, hanno bisogno di uno strumento abbastanza piccolo da entrare in un minuscolo veicolo di consegna, come un camioncino microscopico, e abbastanza preciso da tagliare solo l'esatto punto del DNA che ha bisogno di essere riparato. Per anni, gli scienziati hanno cercato un tale strumento, alla ricerca di una forbice molecolare che fosse al contempo potente e compatta. La versione più famosa di questo strumento è una proteina chiamata Cas9, che agisce come un missile guidato per trovare e tagliare specifiche sequenze di DNA. Tuttavia, la versione più comune di questa proteina è piuttosto grande, il che rende difficile inserirla nei veicoli di consegna utilizzati nelle terapie umane. Questo limite di dimensioni è stato un ostacolo importante, costringendo i ricercatori a cercare alternative più piccole ed efficienti che potessero comunque svolgere il lavoro con alta precisione.

Un team di ricercatori ha recentemente rivolto la propria attenzione a una specifica famiglia di queste forbici molecolari note come Cas9 di Tipo II-D. Questi enzimi sono naturalmente più piccoli rispetto alle versioni standard, il che li rende candidati ideali per l'uso terapeutico. Sebbene gli scienziati sapessero che alcuni membri di questa famiglia potevano modificare i geni nelle cellule umane, non era chiaro se questa capacità fosse un'eccezione rara o un tratto comune condiviso dall'intero gruppo. Per scoprirlo, i ricercatori hanno setacciato una massiccia biblioteca digitale di dati genetici raccolti dall'ambiente, cercando nuove versioni non caratterizzate di questi enzimi compatti. Hanno identificato cinque nuovi candidati che condividevano le caratteristiche strutturali chiave della famiglia di Tipo II-D, tutti di dimensioni approssimativamente simili, e si sono messi alla prova per vedere se potessero effettivamente funzionare all'interno delle cellule umane.

Gli scienziati hanno selezionato due di questi nuovi enzimi, che hanno chiamato Cas9d-1 e Cas9d-4, per vedere quanto performassero rispetto agli strumenti esistenti. Quando hanno introdotto questi enzimi in cellule umane, entrambi si sono dimostrati capaci di trovare e tagliare bersagli specifici nel genoma umano. In un test specifico, uno dei nuovi enzimi ha funzionato persino meglio della versione standard e ampiamente utilizzata di Cas9, raggiungendo un'efficienza di taglio fino al 20,1 percento. Ancora più importante, questi nuovi strumenti erano straordinariamente precisi. Producevano i tagli desiderati senza causare danni involontari ad altre parti del DNA, un problema comune noto come attività off-target. I risultati hanno anche mostrato che, quando questi enzimi effettuavano un taglio, il processo di riparazione della cellula tendeva a creare piccole delezioni piuttosto che altri tipi di cambiamenti, offrendo un risultato prevedibile per i ricercatori.

Forse la scoperta più significativa è stata che questi due nuovi enzimi hanno superato l'unico altro membro di questa famiglia che era stato precedentemente testato nelle cellule umane. Mettendoli fianco a fianco nelle stesse identiche condizioni, le nuove versioni hanno modificato il DNA in modo più efficiente rispetto al precedente esempio noto. Ciò suggerisce che la capacità di modificare i geni umani non sia un colpo di fortuna limitato a un singolo enzima raro, ma una forza generale condivisa da questo gruppo di proteine compatte. Confermando che questi piccoli strumenti a singola proteina sono sia robusti che specifici, lo studio fornisce un nuovo e promettente insieme di opzioni per i futuri trattamenti medici. Queste scoperte indicano che gli scienziati hanno ora una migliore selezione di strumenti compatti a pacchetto singolo pronti per essere testati negli organismi viventi, portando l'obiettivo di una terapia genica sicura ed efficace un passo più vicino alla realtà.