Uno strumento di editing molecolare abbastanza piccolo da poter essere introdotto nel cervello blocca la produzione di proteine ​​che causano malattie da prioni, un gruppo raro ma mortale di disturbi neurodegenerativi.

Il sistema – noto come “coda istonica accoppiata per il rilascio automatico di metiltransferasi (CHARM)” – altera l'”epigenoma”, una raccolta di tag chimici legati al DNA che influenzano l'attività genetica. Nei topi, CHARM ha silenziato il gene che produce le proteine ​​dannose che causano le malattie da prioni nella maggior parte dei neuroni del cervello, senza modificare la sequenza genetica.

CHARM è il primo passo verso lo sviluppo di un "trattamento una tantum" sicuro ed efficace per ridurre i livelli di proteine ​​​​che causano malattie, afferma Madelynn Whittaker, bioingegnere dell'Università della Pennsylvania a Filadelfia. I risultati sono stati annunciati oggiScienza 1pubblicato.

"Il sistema affronta le sfide significative affrontate dai precedenti sistemi di editing epigenetico", afferma Whittaker, accompagnando un articolo in prospettiva InScienzacoautore. Questi includono la riduzione della tossicità degli strumenti di modifica e la loro fornitura alle cellule senza comprometterne l’efficacia, aggiunge.

Le malattie da prioni sono causate da proteine ​​prioniche mal ripiegate (PrP) che si aggregano e distruggono i neuroni. Ciò può portare a condizioni come la sindrome da insonnia familiare fatale, una rara malattia genetica che impedisce alle persone di dormire e porta alla morte. Sebbene le malattie da prioni siano incurabili, i farmaci chiamati oligonucleotidi antisenso (ASO) hanno mostrato alcuni risultati promettenti. Queste molecole corte a filamento singolo si legano a sequenze difettose di RNA messaggero e aumentano o diminuiscono l'espressione proteica. Precedenti studi su topi infettati con versioni mal ripiegate di PrP hanno dimostrato che gli ASO riducono l’espressione di queste proteine ​​e prolungano la durata della vita 2. Ma i farmaci richiedono iniezioni multiple per ottenere un effetto terapeutico a lungo termine e possono portare a effetti collaterali come danni al fegato, afferma Whittaker.

Nel 2021, Jonathan Weissman, un biochimico del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge, e il suo team hanno sviluppato CRISPRoff 3– uno strumento di editing che aggiunge un tag chimico chiamato gruppo metilico al filamento di DNA, riducendo l’attività genetica senza alterare il genoma. Ma lo strumento non può essere somministrato alle cellule cerebrali perché i suoi componenti genetici sono troppo grandi per adattarsi a un virus adeno-associato (AAV), un veicolo comune per la somministrazione di terapie geniche nelle cellule. "La vera sfida è stata la consegna", afferma Weissman.

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Per risolvere questo problema, Weissman e il suo team hanno sviluppato CHARM, che utilizza molecole chiamate proteine ​​zinc finger per dirigersi verso i geni bersaglio. Queste proteine ​​sono sufficientemente piccole da poter essere trasportate in un vettore AAV.

I ricercatori hanno modificato CHARM per reclutare e attivare componenti delle metiltransferasi del DNA, molecole presenti nelle cellule che attaccano gruppi metilici al DNA, causando il cambiamento dell'espressione genetica. Ciò riduce gli effetti tossici associati all'aggiunta di molecole dall'esterno della cellula, afferma Weissman. "L'unica cosa che abbiamo cambiato nella cellula è stata la sua capacità di esprimere la proteina prionica", dice.

Quando i ricercatori hanno somministrato CHARM nel cervello di topi sani, hanno scoperto che riduceva l'espressione di PrP in tutto il cervello di oltre l'80%, ben al di sopra del livello minimo richiesto per un effetto terapeutico. Weissman e il suo team hanno inoltre progettato CHARM in modo che si spenga una volta terminato il suo lavoro silenzioso, impedendogli di creare copie di se stesso che potrebbero portare a effetti collaterali dannosi.

Il team dietro CHARM comprende Sonia Vallabh e suo marito Eric Vallabh Minikel, scienziati prioni del Broad Institute del MIT e dell'Università di Harvard a Cambridge. Vallabh ereditò la mutazione dietro la fatale sindrome dell'insonnia familiare e dodici anni fa Vallabh e Minikel cambiarono carriera per studiare i trattamenti per la malattia. Vallabh afferma che CHARM le dà "enorme fiducia". Aggiunge che lo sviluppo di farmaci è in genere lento, ma il lavoro mostra quanto velocemente sia possibile sviluppare nuovi approcci con il team giusto. “La portata dei risultati che si possono ottenere in un breve periodo di tempo è incredibile”, afferma Vallabh. “Solo due anni e un mese fa abbiamo presentato per la prima volta a Jonathan l’idea di lavorare insieme e ora eccoci qui”.

CHARM ha anche il potenziale per trattare altre malattie causate dall'accumulo di proteine ​​anomale, come il Parkinson e l'Alzheimer, aggiunge Weissman. "Sappiamo che il silenziamento epigenetico non funziona per tutti i geni, ma per la maggior parte dei geni", afferma.

Jacob Goell, un ricercatore che sviluppa strumenti di editing dell’epigenoma presso la Rice University di Houston, in Texas, è ottimista sul fatto che CHARM un giorno finirà in clinica. Ma è necessario un lavoro più completo per valutare come lo strumento e i cambiamenti che crea interagiscono con il macchinario genetico delle cellule, in particolare su periodi di tempo più lunghi, aggiunge.

Il prossimo passo è studiare come funziona CHARM in un vettore AAV in grado di colpire i neuroni nel cervello umano. “Questa è la prossima grande sfida”, afferma.