Migliaia di alghe e lumache rivelano tagliatori di DNA programmabili

Una varietà di specie, dalle lumache alle alghe all’ameba, producono enzimi programmabili per il taglio del DNA chiamati Fanzors – e un nuovo studio condotto da scienziati del McGovern Institute for Brain Research del MIT ne ha identificati migliaia. I fanzor sono enzimi guidati dall’RNA che possono essere programmati per tagliare il DNA in siti specifici, proprio come gli enzimi batterici che alimentano il sistema di editing genetico ampiamente utilizzato noto come CRISPR. La diversità recentemente riconosciuta degli enzimi naturali Vanzor, Riportato il 27 settembre sulla rivista Science AdvancesFornisce agli scienziati una vasta gamma di enzimi programmabili che possono essere adattati in nuovi strumenti per la ricerca o la medicina.

“La biologia diretta dall’RNA è ciò che consente di creare strumenti programmabili e davvero facili da usare. Quindi, più ne troviamo, meglio è”, afferma McGovern-Fellow. Omar Abudayyehche ha condotto la ricerca con il collega McGovern Jonathan Gutenberg.

CRISPR, un antico sistema di difesa batterica, ha dimostrato quanto possano essere utili gli enzimi guidati dall’RNA se adattati per l’uso in laboratorio. Gli strumenti di modifica del genoma basati su CRISPR sviluppati dal professore del MIT e ricercatore della McGovern University Feng Zhang, Abu Dayyeh, Gutenberg e altri hanno cambiato il modo in cui gli scienziati modificano il DNA, accelerando la ricerca e consentendo lo sviluppo di molte terapie geniche sperimentali.

Da allora i ricercatori hanno scoperto altri enzimi diretti dall’RNA nel mondo batterico, molti dei quali hanno caratteristiche che li rendono preziosi in laboratorio. La scoperta dei Fanzor, che secondo il gruppo di Zhang possono tagliare il DNA in modo diretto dall’RNA all’inizio di quest’anno, apre nuove frontiere per la biologia diretta dall’RNA. I Fanzor sono stati i primi di questi enzimi a essere trovati negli organismi eucarioti, un’ampia gamma di forme di vita, tra cui piante, animali e funghi, che sono definiti da un nucleo legato a una membrana che contiene il materiale genetico di ciascuna cellula. (I batteri, privi di nucleo, appartengono a un gruppo noto come procarioti.)

“È da molto tempo che le persone cercano strumenti interessanti nei sistemi procariotici e penso che ciò sia stato incredibilmente fruttuoso”, afferma Gutenberg. “I sistemi eucariotici sono in realtà solo un tipo di campo di gioco completamente nuovo in cui lavorare”.

Una speranza, dicono Abudayyeh e Gutenberg, è che gli enzimi che si sono evoluti naturalmente negli organismi eucariotici possano essere più adatti a funzionare in modo sicuro ed efficiente nelle cellule di altri organismi eucariotici, compreso l’uomo. Il gruppo di Zhang ha dimostrato che gli enzimi Vanzor possono essere progettati per tagliare con precisione sequenze specifiche di DNA nelle cellule umane. Nel nuovo lavoro, Abudayyeh e Gutenberg hanno scoperto che alcuni vanzoari possono prendere di mira le sequenze di DNA nelle cellule umane anche senza ottimizzazione. “Il fatto che funzionasse in modo così efficiente nelle cellule dei mammiferi è stato davvero notevole”, afferma Gutenberg.

Prima dello studio attuale, centinaia di Fanzor erano stati trovati tra gli organismi eucarioti. Attraverso una vasta ricerca di database genetici guidata dal membro del laboratorio Justin Lim, Gutenberg e il team di Abudayyeh sono stati in grado di espandere in modo significativo la diversità conosciuta di questi enzimi.

Tra gli oltre 3.600 fosfori trovati dal team negli eucarioti e nei virus che li infettano, i ricercatori sono stati in grado di identificare cinque diverse famiglie di enzimi. Confrontando la struttura precisa di questi enzimi, hanno trovato prove di una lunga storia evolutiva.

Probabilmente le proteine ​​si sono evolute da enzimi batterici che dividono l’RNA chiamati TnpB. In effetti, sono state le somiglianze genetiche tra i vanzor e questi enzimi batterici ad attirare per prime l’attenzione sia del gruppo di Zhang che del team di Gutenberg e Aboudia.

I collegamenti evolutivi tracciati da Gutenberg e Abudayyeh suggeriscono che gli antenati batterici dei pansores potrebbero essere entrati nelle cellule eucariotiche e aver iniziato la loro evoluzione più di una volta. È probabile che alcuni siano stati trasmessi da virus, mentre altri potrebbero essere stati introdotti da batteri simbiotici. La ricerca suggerisce inoltre che, dopo essere stati assorbiti dagli eucarioti, gli enzimi hanno sviluppato caratteristiche adatte al loro nuovo ambiente, come un segnale che consente loro di entrare nel nucleo della cellula, dove possono accedere al DNA.

Attraverso esperimenti genetici e biochimici condotti dallo studente laureato in ingegneria biologica Cai Yi Jiang, il team ha stabilito che il pansor ha sviluppato un sito attivo che taglia il DNA che differisce dai suoi antenati batterici. Ciò sembra consentire all’enzima di tagliare la sequenza bersaglio in modo più preciso, poiché i precursori del TnpB, quando prendono di mira una sequenza di DNA in una provetta, vengono attivati ​​e tagliano altre sequenze nella provetta; Ai fan manca questa attività illegale. Quando hanno usato l’RNA guida per indirizzare gli enzimi a tagliare siti specifici nel genoma delle cellule umane, hanno scoperto che alcuni vanzoari erano in grado di tagliare queste sequenze bersaglio con un’efficienza del 10-20%.

Attraverso ulteriori ricerche, Abudayyeh e Gutenberg sperano che una varietà di strumenti avanzati di modifica del genoma possano essere sviluppati attraverso Fanzors. “È una nuova piattaforma e ha molte funzionalità”, afferma Guttenberg.

“Aprire l’intero mondo degli eucarioti a questo tipo di sistemi guidati dall’RNA ci darà molto su cui lavorare”, aggiunge Abudayyeh.