Modificare geneticamente le singole cellule negli animali

Per rintracciare le cause genetiche delle malattie, un metodo collaudato è quello di spegnere un singolo gene negli animali e studiare le conseguenze sull'organismo. Tuttavia, in molte malattie, diversi geni contribuiscono al quadro clinico. Per gli scienziati è quindi molto difficile individuare quale gene sia coinvolto nel processo patologico e in quale misura. Dovrebbero condurre molti esperimenti sugli animali, uno per ogni mutazione genica desiderata.

I ricercatori guidati da Randall Platt, professore di ingegneria biologica presso il Dipartimento biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo a Basilea, hanno ora sviluppato un metodo che semplificherà e accelererà notevolmente la ricerca con gli animali da laboratorio: Utilizzando le forbici genetiche Crispr/Cas, hanno apportato diverse decine di modifiche geniche simultaneamente nelle cellule del corpo di un singolo animale in un mosaico: In ogni cellula viene alterato al massimo un gene, ma le diverse cellule di un organo sono alterate in modo diverso. Le singole cellule possono quindi essere analizzate con precisione. Ciò consente ai ricercatori di analizzare le conseguenze di molte alterazioni geniche diverse in un unico esperimento.

Per la prima volta in animali adulti

I ricercatori dell'ETH hanno applicato con successo questo approccio per la prima volta in animali vivi, nello specifico in topi adulti, come riportano nell'attuale numero della rivista Nature. In precedenza, altri scienziati avevano sviluppato un approccio simile in cellule in coltura e in embrioni animali.

I ricercatori hanno utilizzato il virus adeno-associato (virus AA) per trasferire le informazioni sui geni che le forbici genetiche Crispr/Cas devono distruggere nelle cellule del corpo dei topi. Hanno preparato i virus in modo che ogni particella portasse l'informazione per distruggere un gene e hanno infettato i topi con una miscela di virus con istruzioni diverse per la distruzione dei geni. In questo modo, sono riusciti a spegnere diversi geni nelle cellule di un organo - nello studio hanno scelto il cervello.

Scoperti nuovi geni che causano malattie

Grazie a questo metodo, i ricercatori dell'ETH di Zurigo, insieme ai colleghi dell'Università di Ginevra, hanno ottenuto nuove conoscenze sulle rare malattie ereditarie dell'uomo, note come sindrome da microdelezione 22q11. Le persone affette presentano molti sintomi diversi e spesso vengono diagnosticate con malattie come la schizofrenia e i disturbi dello spettro autistico. In precedenza si sapeva che una regione cromosomica contenente 106 geni è responsabile di questa malattia. Si sapeva anche che diversi geni contribuiscono a questa malattia. Tuttavia, non si sapeva quali geni contribuissero alla malattia e come.

Per il loro studio sui topi, i ricercatori si sono concentrati su 29 geni in questa regione cromosomica che sono attivi anche nel cervello dei topi. Hanno alterato uno di questi 29 geni nelle cellule cerebrali dei topi e poi hanno analizzato i profili di RNA delle cellule cerebrali. Gli scienziati hanno così potuto dimostrare che tre di questi geni sono i principali responsabili di un disturbo funzionale delle cellule cerebrali che si osserva anche nei topi. Inoltre, gli scienziati hanno osservato nelle cellule dei topi modelli molecolari che ricordano la schizofrenia e i disturbi dello spettro autistico. Uno di questi tre geni era già noto, ma gli altri due non erano mai stati oggetto di attenzione scientifica.

"Se sappiamo quali geni in una malattia hanno un'attività anomala, possiamo cercare di sviluppare farmaci che compensino questa anomalia", afferma António Santinha, dottorando del gruppo di Platt e primo autore dello studio.

Brevetto in iscrizione

Il metodo sarebbe adatto anche per studiare altre malattie ereditarie. "In molte malattie ereditarie, diversi geni giocano un ruolo, non solo uno", dice Santinha. "Questo è anche il caso di malattie mentali come la schizofrenia. Con la nostra tecnologia, ora possiamo studiare queste malattie e le loro cause genetiche direttamente negli animali adulti". Il numero di geni modificati potrebbe essere aumentato dagli attuali 29 a diverse centinaia di geni per esperimento.

"È un grande vantaggio poter effettuare queste analisi su esseri viventi, perché le cellule si comportano in modo diverso in coltura rispetto agli organismi viventi", afferma Santinha. Un altro vantaggio è che gli scienziati possono semplicemente iniettare i virus AA nel sangue degli animali. Esistono diversi virus AA con diverse proprietà funzionali. In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato un virus che entra nel cervello degli animali. "Tuttavia, a seconda dell'obiettivo dello studio, si potrebbero utilizzare anche virus AA che colpiscono altri organi", spiega il dottorando.

L'ETH di Zurigo ha presentato un'iscrizione al brevetto per questa tecnologia. I ricercatori vogliono ora utilizzarla nell'ambito di un'apertura che non hanno ancora fondato.