CRISPR si trasforma in postino per trasportare RNA lungo i neuroni per stimolare la riparazione e la ricrescita cellulare. È quello che viene ripreso in questa immagine di microscopia a fluorescenza, che mostra tracce rosse di RNA terapeutico che attraversano un neurone cerebrale grazie a una innovativa tecnologia chiamata CRISPR-TO.

La sfida biologica del trasporto intraneuronale dove i meccanismi naturali sono compromessi, come nella SLA

I neuroni possono estendersi per oltre un metro nel corpo umano: quando i naturali meccanismi di trasporto nella cellula sono danneggiati, trasportare molecole vitali attraverso distanze così estese non è più possibile, come nel caso di condizioni patologiche come la sclerosi laterale amiotrofica (SLA), l’atrofia muscolare spinale o le lesioni del midollo spinale, dove il collasso dei meccanismi di trasporto dell’RNA impedisce alle molecole riparatrici di raggiungere i siti periferici danneggiati.

Una ricerca pubblicata su Nature con il titolo “Programmable control of spatial transcriptome in live cells and neurons” da Mengting Han e colleghi del laboratorio di Stanley Qi a Stanford affronta e risolve proprio questo problema.

Lei Stanley Qi, Professore Associato di Bioingegneria a Stanford e pioniere della tecnologia CRISPR (co-inventore di diversi brevetti legati alla tecnologia CRISPR, in particolare per l’uso del sistema CRISPR-Cas9 nella regolazione genica e nell’organizzazione del genoma), ha sviluppato CRISPR-TO, ossia CRISPR-mediated Transcriptome Organization, partendo da una sua precedente innovazione. Qi aveva già inventato il primo sistema Cas9 disattivato (dCas9), trasformando l’enzima da forbici molecolari in strumento di regolazione genica.

Con CRISPR-TO, utilizza Cas13, l’enzima specializzato per l’RNA, ingegnerizzato: anziché tagliare l’RNA, lo afferra. La tecnica utilizza un RNA guida progettato per riconoscere specifiche sequenze di RNA bersaglio nella cellula, ossia sequenze proteiche aggiunte a Cas13 che funzionano come indirizzi cellulari (come il GPS), dirigendo il complesso Cas13-RNA verso compartimenti specifici del neurone.

Il meccanismo di trasporto: RNA endogeni e potenziale terapeutico

Negli esperimenti pubblicati, i ricercatori hanno utilizzato il sistema per trasportare RNA endogeni, molecole naturalmente prodotte dalla cellula, verso le estremità dei neuriti. Il processo prevede che Cas13, guidato dal suo RNA guida, riconosca e si leghi a specifici RNA cellulari, trasportandoli poi verso le destinazioni designate dai segnali di localizzazione.

Il sistema ha dimostrato di poter dirigere RNA verso diverse strutture cellulari: membrana mitocondriale esterna, corpi P, granuli di stress, telomeri e corpi di stress nucleari. Ma l’applicazione più promettente riguarda il trasporto verso i neuriti, dove avviene la formazione sinaptica.

Lo scienziati Qi, che ha chiamato la sua tecnica innovativa “il postino” sottolinea il potenziale utilizzo futuro di mezzo di trasporto per RNA terapeutici esogeni, offrendo un controllo preciso sulla localizzazione di farmaci basati su RNA.

Risultati quantificati: rigenerazione neuronale del 50%

Il team di Stanford ha condotto uno screening sistematico di decine di RNA endogeni, valutando quali potessero promuovere la crescita neuronale quando trasportati verso i neuriti. I risultati hanno identificato molecole specifiche che, una volta rilocalizzate, hanno aumentato la crescita dei neuriti del 50% in 24 ore, un tasso di rigenerazione senza precedenti nella letteratura scientifica.

La localizzazione dell’RNA in cellule viventi è reversibile, così oltre è possibile un utilizzo per terapie modulabili e reversibili.

Stanley Qi: dal dCas9 alla medicina dell’RNA spaziale

Il percorso scientifico di Qi illustra anche l’evoluzione della tecnologia CRISPR. Dopo la laurea in fisica e matematica a Tsinghua University e il dottorato in bioingegneria a UC Berkeley, Qi è stato Systems Biology Faculty Fellow a UCSF prima di entrare a Stanford nel 2014. Il suo laboratorio ha espanso sistematicamente la cassetta degli attrezzi CRISPR: oltre al pioneristico dCas9, ha sviluppato CRISPRi e CRISPRa per la regolazione genica, LiveFISH per l’imaging del DNA cromatinico, CRISPR-GO per la manipolazione della struttura 3D del genoma, hyperCas12a, il compatto CasMINI, e MEGA.

CRISPR-TO rappresenta l’ultima evoluzione di questa linea di ricerca, spostando il focus dal controllo dell’espressione genica al controllo della localizzazione dell’RNA, quello che i ricercatori definiscono “medicina dell’RNA spaziale”.

Implicazioni terapeutiche e direzioni future

La tecnologia apre prospettive per il trattamento di malattie neurodegenerative. La SLA, caratterizzata dalla degenerazione dei motoneuroni, potrebbe essere contrastata ripristinando il trasporto di RNA riparatori, così come l’atrofia muscolare spinale, dovuta a difetti nel trasporto dell’RNA; e anche le lesioni del midollo spinale potrebbero beneficiare del trasporto mirato di RNA rigenerativi verso i punti in cui c’è il danno.

I ricercatori stanno ora testando il sistema su neuroni umani e identificando nuove molecole di RNA con potenziale terapeutico. La transizione verso applicazioni cliniche richiederà l’ottimizzazione per l’uso in vivo e la verifica della sicurezza a lungo termine, ma il principio è stato dimostrato.