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22 luglio 2022

Poche scoperte scientifiche hanno avuto un impatto medico così grande come uno strumento di editing genetico chiamato CRISPR. Circa un decennio dopo la scoperta di questa tecnologia, è vista come una base per lo sviluppo di trattamenti e trattamenti per molte malattie e altri gravi problemi di salute.

Le capacità di CRISPR possono essere utilizzate per alterare il genoma - il set completo di istruzioni del DNA - negli organismi viventi. Scatenare la potenza di uno strumento di modifica genetica chiamato CRISPR dovrebbe portare a importanti passi avanti nel lavoro con il DNA nel genoma umano per far progredire notevolmente l'assistenza medica. Disegno di Rhonda Hitchcock Mast / Arizona State University Scarica l'immagine completa

Riparando, disabilitando o modificando in altro modo vari geni, questa tecnologia è già stata utilizzata per curare con successo malattie negli animali, combattere virus e preparare organi di maiale per l'uso nei trapianti umani, solo per citare alcuni dei suoi usi.

I ricercatori stanno anche esplorando molteplici possibilità per l'utilizzo di CRISPR per migliorare l'assistenza sanitaria umana, compreso il miglioramento delle metodologie CRISPR e l'espansione delle loro applicazioni.

Di recente, la tecnologia CRISPR è stata utilizzata anche per rilevare specifici acidi nucleici, che possono consentire il rilevamento simultaneo ad alto rendimento di molti virus. Ad esempio, modificando CRISPR, i ricercatori hanno progettato una nuova diagnostica rapida per SARS-CoV-2, il virus responsabile della pandemia di COVID-19.

La tecnologia CRISPR può anche essere progettata per visualizzare le molecole di DNA e RNA nelle cellule viventi, consentendo agli scienziati di studiare il genoma umano e la sua regolazione mentre si verificano processi biologici nelle cellule. Questo processo, chiamato imaging del genoma delle cellule vive, consente anche di tracciare queste molecole man mano che le malattie emergono e progrediscono.

Una svolta nei metodi di imaging basati su CRISPR è descritta in dettaglio in un articolo pubblicato di recente su Nature Communications e in un articolo sulla rivista CRISPR.

Entrambi gli articoli si riferiscono alla ricerca condotta presso il Cheng Lab guidato dal ricercatore principale Albert Cheng. La sede del progetto si è trasferita nel gennaio di quest'anno quando Cheng si è trasferito dal Jackson Laboratory of Genetic Medicine al College of Biological and Health Systems Engineering, una delle sette Ira A. Falton Schools of Engineering dell'Arizona State University, dove ora è professore associato .

Il documento Nature Communications descrive una svolta nell'imaging del genoma per cellule viventi che consente la visualizzazione di sequenze genomiche non ripetitive utilizzando un solo gRNA: una sfida irrisolta per l'imaging basato su CRISPR da quando il primo documento di imaging CRISPR è stato pubblicato nel 2013.

Un formato grafico illustrato utilizzato nella ricerca CRISPR

Un aspetto della ricerca CRISPR condotta presso il Cheng Lab, mostrato nell'illustrazione sopra, prevede l'uso di proteine ​​fluorescenti, o proteine ​​che possono emettere luce in diversi colori, che sono posizionate in diverse posizioni del genoma all'interno delle cellule del corpo. Attraverso l'uso della microscopia a fluorescenza, i luoghi genomici illuminati appaiono come punti che si muovono nel tempo. Il cortometraggio qui sotto registra come si muove il genoma. I rapidi movimenti rivelati da questo metodo dimostrano che il ripiegamento del genoma è un processo molto attivo e dinamico, diverso da quanto si pensava in precedenza sul processo. Il professor Albert Cheng dell'Arizona State University afferma che queste nuove idee hanno implicazioni per la casualità - o casualità - e la forza dei processi di regolazione genica. Foto per gentile concessione di Cheng Lab

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Video da Cheng Lab

Visualizzazione della dinamica genica nelle cellule viventi

Questo nuovo metodo di imaging significa che, anziché essere limitato a sequenze ripetitive raggruppate, è possibile acquisire immagini della maggior parte del genoma, consentendo una migliore comprensione della dinamica del ripiegamento del genoma nelle cellule viventi, afferma Cheng.

I genomi lunghi devono essere piegati ampiamente per adattarsi allo spazio tridimensionale dei nuclei cellulari, di circa 10 nm di diametro, e la piega stessa cambia dinamicamente ogni secondo per posizionare diverse posizioni del genoma nelle immediate vicinanze. Ciò consente di esprimere i geni e le proteine ​​​​corretti al momento giusto affinché le cellule funzionino correttamente.

"Lo strumento di imaging CRISPR ci aiuterà a visualizzare il processo di piegatura che si verifica nelle cellule viventi, consentendoci di decifrare i misteri della regolazione genica", afferma Cheng.

I rapporti del documento CRISPR Journal lavorano sullo sviluppo di strumenti computazionali e database che possono essere utilizzati per progettare sonde, chiamate RNA guida o gRNA, che possono essere utilizzate con la tecnologia di imaging descritta nel documento Nature Communications.

Il metodo di imaging è già stato utilizzato nella ricerca sul cancro. Il laboratorio di Cheng, in collaborazione con i colleghi del laboratorio Jackson, ha recentemente pubblicato un articolo sulla rivista Cancer Discovery in cui illustra come il metodo di imaging sia stato utilizzato per tracciare, nelle cellule tumorali vive, il DNA extracromosomico (ecDNA) - molecole di DNA che sono "scappate" dai cromosomi e raddoppiato in decine a centinaia di copie per dare alle cellule tumorali un vantaggio di crescita.

"Capire come queste molecole di ecDNA si replicano nelle cellule ci aiuterà anche a capire meglio come crescono le cellule tumorali e a ideare terapie mirate", afferma Cheng.

Sta collaborando a questi sforzi con Jackie Goffin Chu, un'esperta di genomica del cancro e imaging, anch'essa proveniente dal laboratorio di Jackson all'inizio di quest'anno e ora assistente professore di ricerca che lavora nel laboratorio di Cheng.

Zhu sviluppa e applica metodi di sequenziamento e imaging per studiare i fattori di ripiegamento e trascrizione del genoma, in particolare nel contesto della biologia del cancro, con l'obiettivo di comprendere i meccanismi della malattia e sviluppare terapie mirate.

Il successo della ricerca aumenterebbe le capacità di assistenza medica

Oltre a sviluppare e applicare nuovi approcci di imaging del genoma per studiare le malattie descritte in questi documenti, Cheng Lab sviluppa e applica una tecnologia basata su proteine ​​ingegnerizzate che legano il DNA e l'RNA, un processo che può consentire alla regolazione genica di creare nuovi trattamenti.

Altre direzioni che la ricerca di laboratorio sta prendendo includono il rendere più preciso l'editing del genoma, lo sviluppo di nuovi approcci all'editing epigenetico e trascrizionale e lo sviluppo di sensori di DNA e RNA e tecnologie di imaging.

Professore Associato alle Fulton Schools

Albert Cheng

Il successo in questi sforzi potrebbe portare a significativi balzi in avanti nei campi della genomica, dell'epigenetica, della regolazione genica, della biologia delle cellule staminali e della terapia del cancro.

"Vogliamo decifrare più precisamente i meccanismi di regolazione genica che sono alla base dello sviluppo di molte malattie per aiutarci a identificare nuovi bersagli terapeutici", afferma Cheng. "Ci auguriamo che, comprendendo meglio i meccanismi di regolazione genica e creando nuove terapie geniche, ciò porti a opzioni di trattamento più efficaci per malattie come il cancro, in particolare per malattie per le quali attualmente non esistono cure".

Cheng e colleghi stanno già utilizzando tecniche di editing epigenetico che "accendono" geni specifici che possono uccidere in modo specifico le cellule tumorali.

Altri ricercatori hanno applicato gli strumenti di editing epigenetico di Cheng per aumentare la produzione di insulina nelle cellule o per convertire gli epatociti in cellule simili a isole, che potrebbero essere potenziali strategie terapeutiche per il diabete. In futuro, Cheng spera di combinare le parti molecolari che lui e altri hanno costruito per progettare "terapie intelligenti" in grado di rispondere a uno stato cellulare e fornire effetti terapeutici "on-demand".

Cheng inizierà a trasferire la sua crescente conoscenza della tecnologia CRISPR agli studenti dell'ASU quando inizierà a insegnare il corso di Ingegneria Biomedica BME 362 Methods in Molecular Cell Biology nell'autunno del 2022.

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