La proteina progettata dall’IA può risvegliare i geni silenziati uno per uno

La tecnica di terapia genica progettata dall’Università di Washington può attivare singoli geni che regolano la crescita, lo sviluppo e la funzione cellulare.

Combinando la tecnologia CRISPR con una proteina progettata dall’IA, i ricercatori della University of Washington School of Medicine di Seattle sono stati in grado di risvegliare i singoli geni dormienti disabilitando gli “interruttori di spegnimento” chimici che li silenziano attraverso la terapia genica.

Longevità.Tecnologia: questo approccio alla terapia genica, descritto in Cell Reports, consentirà ai ricercatori di comprendere il ruolo dei singoli geni nella normale crescita e sviluppo delle cellule e in malattie come il cancro; amplierà anche la nostra comprensione dell’invecchiamento a livello genetico. La nuova tecnica controlla l’attività genica senza alterare la sequenza del DNA del genoma prendendo di mira l’epigenoma, i tag chimici e le modifiche che aiutano a impacchettare i geni nei nostri cromosomi e a regolarne l’attività. Le modificazioni epigenetiche influenzano l’attività genica e le raccogliamo nel tempo: questo accumulo di marcatori epigenetici contribuisce all’invecchiamento, ma può anche influenzare la salute delle generazioni future poiché possono essere ereditati.

Prendere di mira l’epigenoma era una prospettiva interessante per il team di Washington. “Il bello di questo approccio è che possiamo sovraregolare in sicurezza geni specifici per influenzare l’attività cellulare senza modificare in modo permanente il genoma e causare errori non intenzionali”, Shiri Levy, borsista post-dottorato presso l’UW Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine (ISCRM) e leader autore dell’articolo, dice [1].

Nella ricerca sulla terapia genica, Levy e i suoi colleghi si sono concentrati su un complesso di proteine ​​chiamato PRC2 che silenzia i geni legando una piccola molecola, chiamata gruppo metilico, a una proteina che racchiude geni chiamati istoni.
Hannele Ruohola Baker e Shiri Levy discutono di una nuova tecnica per risvegliare i geni silenziati nel laboratorio di Ruohola Baker presso la University of Washington School of Medicine.

Nella ricerca sulla terapia genica, Levy e i suoi colleghi si sono concentrati su un complesso di proteine ​​chiamato PRC2 che silenzia i geni legando una piccola molecola, chiamata gruppo metilico, a una proteina che racchiude geni chiamati istoni. PRC2 è attivo durante tutto lo sviluppo ma svolge un ruolo particolarmente importante durante i primi giorni di vita quando le cellule embrionali si differenziano nei vari tipi cellulari che formeranno i tessuti e gli organi dell’embrione in crescita. La PRC2 può essere bloccata con sostanze chimiche, ma sono imprecise e influiscono sulla funzione della PRC2 in tutto il genoma. L’obiettivo dei ricercatori dell’UW era trovare un modo per bloccare PRC2 in modo che solo un gene alla volta sarebbe stato colpito.

Per fare ciò, David Baker e i suoi colleghi hanno utilizzato l’IA per creare una proteina che si legherebbe alla PRC2 e bloccherebbe una proteina utilizzata dalla PRC2 per modificare gli istoni. Ruohola-Baker e Levy hanno quindi fuso questa proteina progettata con una versione disabilitata di una proteina chiamata Cas9.

Cas9 è la proteina utilizzata nel processo di modifica genica chiamato CRISPR – Cas9 si lega e utilizza l’RNA come tag di indirizzo. Il sistema consente agli scienziati, sintetizzando uno specifico RNA “address-tag”, di portare Cas9 in una posizione precisa nel genoma e di tagliare e unire i geni in siti molto specifici.

Tuttavia, in questo esperimento i ricercatori hanno disabilitato la funzione di taglio della proteina Cas9, chiamandola dCas9, per “morta”. Ciò significava che la sequenza del DNA genomico è rimasta inalterata. Tuttavia, non può più essere tagliato, dCas9 può ancora consegnare, fungendo da trasporto per merci e consegnandolo in un luogo specifico. La proteina bloccante progettata dall’IA era il carico del costrutto dCas9-RNA.

“DCas9 è come UBER”, spiega Levy, “Ti porterà ovunque sul genoma in cui vuoi andare. La guida RNA è come un passeggero, che dice all’UBER dove andare [1].”

Nel nuovo articolo, Levy e i suoi colleghi mostrano che, utilizzando questa tecnica, sono stati in grado di bloccare PRC2 e attivare selettivamente quattro geni diversi. Sono stati anche in grado di dimostrare che potevano transdifferenziare le cellule staminali pluripotenti indotte in cellule progenitrici placentari semplicemente attivando due geni [2].

“Questa tecnica ci consente di evitare di bombardare le cellule con vari fattori di crescita e attivatori e repressori genici per farli differenziare”, spiega Levy. “Invece, possiamo mirare a siti specifici sulla regione dei promotori della trascrizione genica, sollevare quei segni e lasciare che la cellula faccia il resto in modo organico e olistico [1].”

Infine, i ricercatori sono stati in grado di mostrare come la tecnica può essere utilizzata per trovare la posizione di specifici regolatori controllati dalla PRC2 da dove vengono attivati ​​i singoli geni: la posizione di molti di questi è sconosciuta. In questo caso, hanno identificato una regione promotore – chiamata TATA box – per un gene chiamato TBX18. Sebbene il pensiero attuale sia che queste regioni promotrici siano vicine al gene, all’interno di 30 coppie di basi di DNA, si trovano per questo gene la regione del promotore era a più di 500 coppie di basi di distanza.

“Questa è stata una scoperta molto importante”, ha detto Ruohola-Baker. “Le scatole TATA sono sparse in tutto il genoma e il pensiero attuale in biologia è che le scatole TATA importanti sono molto vicine al sito di trascrizione del gene e le altre non sembrano avere importanza. Il potere di questo strumento è che può trovare gli elementi critici dipendenti dalla PRC2, in questo caso le scatole TATA che contano [1].”

Le modificazioni epigenetiche decorano ampie regioni del genoma nelle cellule normali e anormali. Tuttavia, l’unità funzionale minima per la modifica epigenetica rimane poco compresa, osserva Ruohola-Baker: “Con questi due progressi, le proteine ​​​​progettate dall’intelligenza artificiale e la tecnologia CRISPR, ora possiamo trovare i segni epigenetici precisi che sono importanti per l’espressione genica, imparare il regole e utilizzarle per controllare la funzione cellulare, guidare la differenziazione cellulare e sviluppare terapie del 21° secolo [1].”

[1] https://bit.ly/3usm1x2
[2] https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(22)00184-X

Fotografia: Thatcher Heldring/ISCRM

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