CRISPR, un'intelligence per le proteine guerriere / CRISPR, an intelligence for warrior proteins

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Come funziona in natura CRISPR, il sistema immunitario batterico su cui si basa la nuova, rivoluzionaria tecnica di editing genetico? Una prima importante risposta arriva da uno studio appena pubblicato dal gruppo di Jennifer Doudna, una delle pioniere di questa tecnologia, rivelando alcuni dettagli della "corsa agli armamenti" tra virus e batteri.

L’ultimo numero di "Science" apre uno scorcio inaspettato su CRISPR, il sistema immunitario batterico che ha ispirato l’omonima tecnica di modificazione genetica.

A firmare il lavoro è il gruppo di Jennifer Doudna, la biochimica di Berkeley che nel 2012 ha gettato le basi per lo sviluppo della rivoluzionaria tecnologia, subito adottata in tutto il mondo per correggere il DNA di piante, animali e cellule umane. Il nuovo contributo del DoudnaLab per ora rappresenta soprattutto un’affascinante tappa del viaggio nella ricerca di base, ma c’è da scommettere che man mano che i ricercatori sistemeranno gli elementi del puzzle, comprendendo nei dettagli come CRISPR funziona in natura, la ricerca applicata escogiterà nuovi trucchi per arricchire ulteriormente la cassetta degli attrezzi delle nuove biotecnologie di precisione.

Affacciamoci, dunque, nel tumultuoso mondo microbico. La guerra fra i batteri e i virus che li infettano è una corsa evoluzionistica agli armamenti, che si consuma dalla notte dei tempi a suon di mutazioni. I batteri affinano via via le proprie armi di difesa, imparando a identificare il DNA estraneo e a distruggerlo, mentre i virus aggiornano i propri mezzi per andare all’attacco. Perché la strategia militare batterica possa funzionare al meglio, le ronde armate sono precedute da un meticoloso lavoro di intelligence. Insomma, prima che entrino in azione le proteine guerriere (come la celebre Cas9, su cui si basa la piattaforma tecnologica CRISPR), serve un team capace di organizzare le informazioni utili a scovare il nemico.

Questo complesso si chiama Cas1-Cas2, ed è il protagonista dello studio appena pubblicato su "Science". Non è impegnato nell’azione diretta, ma scheda i virus most wanted, ordinandone gli identikit genetici 

all’interno di un archivio genomico, in modo da poter ritrovare le indicazioni per fare piazza pulita al momento opportuno. Mentre le proteine guerriere si sono diversificate molto nel corso dell’evoluzione, le Cas numero 1 e 2 sono rimaste pressoché identiche in tutti i microrganismi dotati di un sistema CRISPR, segno che svolgono un lavoro cruciale. La Cas1 in origine doveva essere un enzima saltellante (trasposasi), capace di far rimbalzare elementi di DNA in punti casuali del genoma, ma poi ha cambiato lavoro, imparando a integrare brevi segmenti in punti specifici.

“Questa addomesticazione sembra un evento così improbabile da essersi verificato una volta sola. È stato il passaggio chiave nello sviluppo dell’immunità basata su CRISPR, perché consente al sistema di adattarsi alle nuove minacce, archiviando le sequenze virali”, ci ha spiegato Addison Wright, ricercatore fresco di laurea del DoudnaLab e primo firmatario dello studio.

Cas1 lavora in tandem con Cas2, legando il DNA che deve archiviare nel punto prestabilito del genoma batterico. Come fa? Per scoprirlo i ricercatori dell’Università di Berkeley hanno cristallizzato l’intero complesso, notando un fatto sorprendente: la proteina non legge le lettere sul DNA per trovare le sequenze giuste, ma si lega solo al DNA che può piegarsi in un certo modo. È un po’ come se al posto della vista usasse il tatto, per percepire la forma.

“Le sequenze ripetute riconosciute dal complesso hanno un punto cardine particolarmente flessibile che permette loro di flettersi sulla Cas2, che forma una specie di cuneo, mentre la porzione adiacente si srotola parzialmente”, dice Wright.

Recentemente il gruppo di Harvard diretto da George Church ha usato questo complesso per incorporare le immagini di un breve filmato in una popolazione batterica. Ma perché il duo Cas1-Cas2 possa diventare uno strumento biotech davvero versatile è necessario capire come riconosce il suo bersaglio naturale nei batteri, imparare a prevedere quali altri siti può riconoscere negli altri tipi di cellule, e poi ingegnerizzarlo affinché riconosca altri bersagli scelti da noi.

Comunque, considerato che circa la metà dei batteri e la quasi totalità degli archeobatteri sono dotati di un sistema CRISPR per difendersi dai virus, Doudna, Church e compagni hanno ancora molto lavoro da fare per censire e mettere alla prova tutte le molecole potenzialmente utili. “C’è ancora tanto da scoprire!”, si entusiasma Wright. “Penso che CRISPR continuerà per molto tempo a stupirci”.

ENGLISH

How does CRISPR work in nature, the bacterial immune system on which the new, revolutionary genetic editing technique is based? An important first response comes from a study recently published by Jennifer Doudna, one of the pioneers of this technology, revealing some details of the "arms race" between viruses and bacteria.

The latest issue of "Science" opens an unexpected glimpse into CRISPR, the bacterial immune system that has inspired the same genetic modification technique.

Signing the job is the group of Jennifer Doudna, Berkeley's biochemistry, which in 2012 laid the foundation for the development of revolutionary technology, immediately adopted around the world to correct the DNA of plants, animals and human cells. The new contribution of DoudnaLab for the time being is a fascinating stage in basic search, but it is wise to bet that as researchers will design the elements of the puzzle, including in detail how CRISPR works in nature, applied research Will invent new tricks to further enrich the toolbox of new precision biotechnologies.

Let us, then, face the tumultuous microbial world. The war between the bacteria and the viruses that infect them is an evolutionary weapon race that is consumed from the night of the time to the sound of mutations. The bacteria flush away their defense weapons, learning to identify foreign DNA and destroy it, while viruses update their means to go to the attack. Because bacterial military strategy can work best, armed realms are preceded by meticulous intelligence work. In short, warrior proteins (such as the famous Cas9, on which the CRISPR technology platform is based) come into effect, serves a team capable of organizing useful information to find the enemy.

This complex is called Cas1-Cas2, and is the protagonist of the newly published "Science" study. It is not engaged in direct action, but schedules most wanted viruses, ordering genetic identikit

Inside a genomic archive, so you can find directions to make a square clean at the right time. While warrior proteins have diversified a lot during evolution, Cas numbers 1 and 2 have remained virtually identical in all microorganisms that have a CRISPR system, a sign that plays a crucial job. Cas1 originally had to be a leaping enzyme (trasposasi) capable of bouncing DNA elements at random genome points, but then changed work by learning to integrate short segments into specific points.

"This domestication seems like an event that is unlikely to have happened once. It has been the key step in CRISPR-based immunity development because it allows the system to adapt to new threats by storing viral sequences, "said Addison Wright, fresh graduate researcher at DoudnaLab and first signatory to the study.

Cas1 works tandem with Cas2, linking the DNA that has to be stored at the predetermined point of the bacterial genome. How does? To find out, researchers at the University of Berkeley crystallized the whole complex, noting a surprising fact: the protein does not read the letters on DNA to find the right sequences, but it binds only to DNA that can fold in a certain way. It's kind of like touching in place of sight to perceive shape.

"The repeated sequences recognized by the complex have a particularly flexible card point that allows them to flex on Cas2, which forms a sort of wedge, while the adjacent portion partially breaks," says Wright.

Recently, the Harvard group led by George Church used this complex to incorporate images of a short film into a bacterial population. But why the Cas1-Cas2 duo can become a truly versatile biotech tool you need to understand how it recognizes its natural target in bacteria, learn to predict what other sites can recognize in other types of cells, and then engineer it to recognize other targets chosen by us .

However, considering that about half of the bacteria and almost all of the archeobacteria are equipped with a CRISPR system to defend themselves against viruses, Doudna, Church and companions still have a lot of work to do to censor and test all the potentially useful molecules. "There's still a lot to discover!", Wright excites. "I think CRISPR will continue to amaze us for a long time."

Da:

http://www.lescienze.it/news/2017/07/21/news/crispr_batteri_sistema_immunitario_science_doudna-3610345/?ref=nl-Le-Scienze_28-07-2017