Come genetisti del topo, passiamo molto tempo ad aspettare che i topi facciano più topi. Le loro piccole dimensioni, la facilità di cura e la volontà di accoppiarsi hanno reso i topi "Mammifero preferito" per gli scienziati per più di un secolo. In effetti, queste palle di pelo trasandato che colpiscono la paura nel cuore di alcuni hanno un debito di gratitudine per tutto ciò che hanno insegnato ai ricercatori sulla salute umana e su come i corpi dei mammiferi sono costruiti e funzionano.
Nel nostro laboratorio usiamo i topi per capire come si sono evoluti gli arti. In particolare, siamo affascinati dai cambiamenti genetici apportati nel corso di decine di milioni di anni da quando il primo animale a quattro zampe è caduto fuori dall'acqua e sulla terra. È notevole che la pinna del delfino e l'ala del pipistrello, per esempio, siano derivate da un antenato comune. Il nostro obiettivo è scoprire quale delle differenze nel loro DNA ha causato drammatici cambiamenti nelle forme dei diversi mammiferi. In particolare, lavoriamo con un piccolo roditore che vive nel deserto chiamato jerboa, che ha arti posteriori quasi assurdamente lunghi. Una strategia molto potente per comprendere gli enormi piedi del jerboa sarebbe quella di progettare un topo con geni di sviluppo degli arti del jerboa e vedere se quei cambiamenti genetici fanno un topo con le gambe più lunghe.
Ma se vogliamo capire la complicata storia genetica dell'evoluzione dell'arto jerboa, dobbiamo studiare più geni contemporaneamente. Ciò causa un problema simile a quello dei ricercatori biomedici che lavorano con i topi per comprendere le malattie genetiche umane. Sebbene i topi e gli esseri umani siano simili in molti modi e vulnerabili ad alcune delle stesse malattie genetiche, le nostre malattie più comuni sono causate da più di un gene.
Questo porta ad un grosso problema con l'uso di topi per comprendere sia l'evoluzione dei mammiferi che i disturbi genetici umani: la probabilità. Se gli scienziati modificano un gene in un topo, non tutta la progenie erediterà il tratto nella generazione successiva. Il nostro laboratorio è il primo a sviluppare una strategia per aumentare queste probabilità.
Ereditarietà e ereditarietà
Cominciamo con le basi. Ogni animale ha due versioni di ciascun gene. Ogni genitore passerà una sola versione a ogni prole. L'ereditarietà di diversi tratti genetici è quindi un po 'come un lancio di monete in cui una particolare versione viene ereditata 50 percento delle volte.
La creazione di un topo che ha ereditato versioni mutate di tre geni patogeni da ciascun genitore ha la stessa probabilità di sei monete lanciate simultaneamente che atterrano su "teste". Ma cosa succede se le monete potrebbero essere pesate in modo non uniforme in modo che abbiano una maggiore probabilità di cadere dritta?
Il concetto di impilare le probabilità a favore di una delle due versioni di un gene è alla base degli sforzi per ingegnerizzare le pulsioni genetiche. Un gene drive è semplicemente definito come un pezzo di DNA che viene ereditato più spesso di quanto possa essere spiegato da un caso casuale su più generazioni, in modo tale che esso passi attraverso una popolazione. Recentemente ricercatori nel Regno Unito hanno dimostrato che le unità genetiche possono essere in grado di farlo rallentare la diffusione delle malattie trasmesse dalle zanzare, come la malaria.
Sistemi di azionamento genico che sono in fase di sviluppo si basano sui due componenti del macchinario di modifica del gene CRISPR-Cas9; la proteina Cas9 agisce come un paio di forbici e taglia il DNA, e una breve sequenza guida indica esattamente dove tagliare le forbici. In un gene drive, un gene donatore, che è la versione che vogliamo introdurre nell'animale, è progettato per utilizzare questi componenti in modo che possa sostituire la versione non ingegnerizzata, o il cosiddetto gene ricevente. Quando il gene ricevente non ingegnerizzato viene tagliato, il gene del donatore ripara il taglio copiandolo nel sito ricevente in modo che ci siano due copie identiche del gene del donatore.
Il gene donatore agisce quindi come la funzione di ricerca e sostituzione di un programma di elaborazione testi. Il gene ricevente viene convertito in modo che una zanzara, ad esempio, abbia due copie del gene del donatore ingegnerizzato per passare alla sua prole. In questo modo, un piccolo numero di zanzare geneticamente modificate che si accoppiano con le zanzare selvagge passerebbero il gene ingegnerizzato a tutta la loro progenie. Quelli poi si accoppiano con altre zanzare selvagge e passano il gene ingegnerizzato a tutta la loro progenie. E avanti e avanti fino a quando il gene ingegnerizzato è stato incorporato nel DNA di un'intera popolazione. Se il gene ingegnerizzato rende le zanzare resistenti alle infezioni della malaria, un gene drive potrebbe rendere il loro morso un semplice fastidio.
Trova e sostituisce il lavoro nei topi?
Un simile approccio ha funzionato bene popolazioni di laboratorio di insetti, ma insetti e mammiferi si sono discostati da un antenato comune più di 700 milioni di anni fa. Sistemi simili potrebbero funzionare nei topi per aumentare la probabilità di ereditarietà? Per testare questo, abbiamo progettato un sistema simile a un'unità genetica con un gene donatore di topo in grado di produrre una proteina fluorescente rossa. Se il "trova e sostituisci" ha funzionato, i topolini si illuminano di rosso sotto una luce speciale.
Eravamo entusiasti di vedere che quando CRISPR tagliava il DNA durante la produzione di uova nelle femmine, il gene del donatore era spesso in grado di sostituire la versione ricevente. Molti dei topolini che hanno ereditato il cromosoma ricevente si sono accesi di rosso. In effetti, il nostro gene donatore era ereditato tanto quanto 86 per cento delle volte - una moneta pesantemente ponderata - rispetto alla solita percentuale 50.
Tuttavia, questa ricerca e sostituzione genetica non ha funzionato bene come negli insetti e non ha funzionato nella produzione di sperma nei maschi. Pensiamo di capire il perché e pensiamo di poter apportare alcuni miglioramenti alla tecnologia in modo che sia più efficiente nei topi.
Quello che viene dopo?
Alcuni hanno suggerito che un gene drive sarebbe un modo più sicuro ed efficace per liberare un luogo da topi e ratti invasivi - che devastano la biodiversità dell'isola e contribuiscono alle estinzioni - rispetto ai veleni ad ampio spettro. Però, altri hanno preoccupazioni sulle conseguenze indesiderate del rilascio in natura di animali geneticamente modificati. Prima che un gene drive diventi una realtà nei roditori, tuttavia, molto lavoro dovrebbe essere fatto per aumentare la ricerca e sostituire l'efficienza e per ridurre la frequenza di errori che renderebbero gli animali resistenti a un drive. Pertanto, riteniamo che gli scienziati dovrebbero usare questo tempo per considerare attentamente e discutere con il pubblico ciò che può e dovrebbe o non dovrebbe essere fatto usando le pulsioni genetiche di roditori selvatici.
Per un beneficio più immediato per la società, pensiamo che questa tecnologia possa risolvere i problemi per gli scienziati di base e biomedici. Tassi di ereditarietà più alti significano che i genetisti del topo potrebbero ridurre il numero di animali necessari per gli studi. Potremmo quindi utilizzare i topi per comprendere l'impatto simultaneo di una moltitudine di cambiamenti genetici che hanno rimodellato le specie durante l'evoluzione. Oppure potremmo studiare come una collezione di mutazioni possa innescare malattie umane complesse che prima erano impossibili da studiare nei topi.
Autori: Kim Cooper, Assistente professore di scienze biologiche, University of California San Diego ed Hannah Grunwald, Studente laureato, University of California San Diego
Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.
