Sono stati pubblicati tre articoli scientifici in cui gli autori riferiscono di ricadute su larga scala di materiale genetico cromosomico e riarrangiamenti del DNA. Le scoperte degli scienziati, afferma l'articolo, rafforzano le preoccupazioni sulla sicurezza delle tecnologie di modifica del genoma.
Come risultato di una serie di esperimenti in cui è stata effettuata la modifica di embrioni umani utilizzando lo strumento di editing genico CRISPR-Cas9, gli scienziati hanno stabilito che questa tecnologia può apportare cambiamenti significativi e indesiderabili nel genoma in corrispondenza o vicino al sito target del genoma.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati questo mese sul server di preprint bioRxiv, ma non sono ancora stati sottoposti a peer review. Tuttavia, gli articoli pubblicati forniscono una buona indicazione del fatto che alcuni scienziati ritengono che vi sia un rischio sottovalutato nell'editing del genoma con CRISPR-Cas9. Precedenti esperimenti hanno dimostrato che questo strumento di editing è in grado di causare mutazioni geniche laterali a una distanza considerevole dal sito del DNA bersaglio; tuttavia, studi recenti hanno rivelato cambiamenti che si verificano nelle aree adiacenti a questo sito e potrebbero non essere notati con metodi standard.
“Per noi, gli impatti precisi sono più importanti. In seguito sono molto più difficili da eliminare , afferma Gaétan Burgio, genetista presso l'Australian National University di Canberra.
È probabile che le preoccupazioni sulla sicurezza siano l'argomento principale del dibattito in corso sulla possibilità che gli scienziati possano utilizzare le tecnologie di modifica degli embrioni umani per prevenire le malattie genetiche. L'atteggiamento nei confronti di questa tecnologia solleva molte domande, poiché crea cambiamenti irreversibili nel genoma, che verranno poi trasmessi ai discendenti di generazione in generazione. "Se la tecnologia per modificare gli embrioni umani per scopi riproduttivi o modificare la cosiddetta linea germinale può essere confrontata con il primo volo con equipaggio nello spazio, i nuovi dati ottenuti dagli scienziati possono essere paragonati a un'esplosione di un razzo su una rampa di lancio proprio prima del decollo", afferma Fyodor Urnov di Università della California, Berkeley,che sta studiando l'editing del genoma (Fedor Urnov non ha partecipato a nessuno degli studi di cui sopra).
Effetti indesiderati
Gli scienziati hanno condotto i primi esperimenti utilizzando CRISPR per modificare gli embrioni umani nel 2015. Da allora, diversi gruppi scientifici in tutto il mondo hanno iniziato a studiare questa tecnologia per un preciso editing genetico. Tuttavia, tale ricerca è ancora rara e di solito altamente regolamentata.
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Secondo Mary Herbert, biologa della riproduzione presso l'Università di Newcastle, nel Regno Unito, uno studio recente evidenzia quanto segue: Gli scienziati sanno poco di come gli embrioni umani riparano il DNA tagliato con strumenti di modifica del genoma (questo è un passaggio chiave nella modifica con CRISPR-Cas9). "Dobbiamo capire a fondo cosa sta succedendo prima di iniziare a utilizzare enzimi per il taglio del DNA", aggiunge Mary Herbert.
Il primo dei preprints è stato pubblicato online il 5 giugno dalla biologa dello sviluppo Kathy Niakan del Francis Crick Institute di Londra e dai suoi colleghi. Nel loro studio, i ricercatori hanno utilizzato CRISPR-Cas9 per creare mutazioni nel gene POU5F1, che ha un grande impatto sullo sviluppo embrionale. Dei 18 embrioni modificati, circa il 22% conteneva cambiamenti indesiderati che interessavano ampie regioni del DNA adiacenti al gene POU5F1. In particolare, è stato osservato un riarrangiamento delle regioni del DNA e grandi delezioni di diverse migliaia di nucleotidi di DNA - e questo è molto più di quanto si consideri normalmente tra gli scienziati che utilizzano questo approccio.
Un altro gruppo di ricercatori, guidato dal biologo delle cellule staminali Dieter Egli della Columbia University di New York City, ha studiato gli embrioni prodotti dallo sperma che causano una mutazione nel gene EYS (questa mutazione porta alla cecità). Gli scienziati hanno cercato di correggere questa mutazione utilizzando CRISPR-Cas9, ma circa la metà di tutti gli embrioni testati ha perso ampi segmenti del loro cromosoma (e in alcuni casi l'intero cromosoma) su cui si trova il gene EYS.
Infine, un terzo gruppo di scienziati, guidato dal biologo riproduttivo Shoukhrat Mitalipov della Oregon Health and Science University di Portland, ha studiato gli embrioni prodotti utilizzando spermatozoi portatori di una mutazione che causa malattie cardiache. Gli scienziati di questo team sembrano anche essersi convinti che la modifica del genoma colpisce ampie regioni del cromosoma contenente il gene modificato.
In tutte le loro ricerche, gli scienziati hanno utilizzato gli embrioni solo per scopi scientifici e non per indurre una gravidanza. I principali autori di questi tre studi scientifici, i cui risultati si riflettono nei preprints, hanno rifiutato di discutere in dettaglio il loro lavoro con la redazione della rivista Nature fino a quando i loro articoli non sono stati pubblicati su riviste peer-reviewed.
Riparazione imprevedibile
Tutti i cambiamenti registrati sorgono come risultato della riparazione del DNA, che viene eseguita utilizzando strumenti di modifica del genoma. CRISPR-Cas9 utilizza un piccolo filamento di RNA per dirigere l'enzima Cas9 in un sito con una sequenza simile. L'enzima quindi taglia entrambi i filamenti di DNA in questo sito ei sistemi di riparazione cellulare colmano questo divario.
La modifica avviene solo durante la riparazione: molto spesso, la cellula chiude ermeticamente questo spazio con un meccanismo in grado di inserire o rimuovere una piccola quantità di nucleotidi di DNA; tuttavia, questo meccanismo funziona con gli errori. Se gli scienziati inseriscono un modello di DNA, la cellula a volte può utilizzare quella sequenza per riparare la rottura, ottenendo una corretta riscrittura. Tuttavia, il DNA tagliato può anche mescolare o perdere grossi pezzi del cromosoma.
Un precedente lavoro che utilizzava la tecnologia CRISPR negli embrioni di topo e in altri tipi di cellule umane ha dimostrato che l'editing cromosomico può causare effetti indesiderati significativi. Ma, secondo Urnov, era importante per gli scienziati dimostrare i loro approcci negli embrioni umani, poiché diversi tipi di cellule possono reagire in modo diverso alla modifica del genoma.
Questo riarrangiamento delle regioni del DNA potrebbe essere stato trascurato in molti esperimenti, in cui gli scienziati di solito cercano di trovare esempi di modifiche indesiderate, ad esempio un cambiamento in un nucleotide del DNA, o piccole inserzioni o delezioni di piccoli frammenti di nucleotidi. Tuttavia, in recenti esperimenti, sono state specificamente studiate le delezioni di grandi dimensioni e i riarrangiamenti cromosomici vicino al sito bersaglio. "E la comunità scientifica prenderà i risultati ottenuti ancora più seriamente di prima", afferma Urnov. "Questi risultati non sono affatto casuali".
Cambiamenti genetici
I gruppi di ricerca che hanno condotto i tre studi sopra descritti hanno spiegato in modo diverso il meccanismo alla base dei riarrangiamenti all'interno del DNA. Ad esempio, i team di ricerca Egli e Nyakana ritengono che la maggior parte dei cambiamenti osservati negli embrioni siano dovuti a grandi delezioni e riorganizzazioni delle regioni del DNA. Tuttavia, il gruppo di Mitalipov ha affermato che fino al 40% dei cambiamenti rilevati sono stati causati dalla cosiddetta conversione genica, in cui, a seguito dei processi di riparazione del DNA, una sequenza viene copiata da un cromosoma in una coppia per ripararne un altro.
Mitalipov ei suoi colleghi hanno riportato risultati simili nel 2017, ma alcuni scienziati erano scettici sul fatto che la conversione genica sia comune negli embrioni. Gli scienziati hanno notato quanto segue: in primo luogo, durante la conversione genica, i cromosomi materni e paterni non si trovano uno accanto all'altro e, in secondo luogo, le analisi utilizzate dal team di ricerca per determinare la conversione genica potrebbero rivelare altri cambiamenti cromosomici, comprese le delezioni.
Egli e i suoi colleghi nel loro preprint volevano verificare direttamente sperimentalmente la presenza della conversione genica, ma non sono stati in grado di rilevarla. Burjo osserva che gli esperimenti descritti nel preprint di Mitalipov sono simili a quelli condotti dal suo gruppo di ricerca nel 2017. Secondo Jin-Soo Kim, genetista della Seoul National University e coautore del preprint Mitalipov, le rotture del DNA in diverse parti del cromosoma possono essere corrette in qualche altro modo: questa, a suo avviso, è una delle possibili soluzioni al problema. …
