Progettare molecole di RNA transfer per correggere i codoni di stop prematuri. Nel mirino malattie genetiche come la sindrome di Dravet, la fibrosi cistica e la distrofia muscolare di Duchenne
La doppia elica di DNA è divenuta universalmente il simbolo della nostra identità come persone e anche come specie animale. Ma nella costruzione dell’individuo c’è un passaggio altrettanto importante di quello della duplicazione dell’informazione genetica e della sua trasmissione alle cellule figlie: è il salto da DNA a proteine. L’RNA messaggero (mRNA) rappresenta la fase intermedia di questo passaggio che si realizza nei ribosomi e prevede il ricorso a diversi tipi di RNA. È un passaggio dove possono generarsi errori - in bassissima percentuale - e ha attratto con crescente enfasi l’attenzione dei ricercatori intenti a sviluppare terapie su RNA per far fronte a gravi malattie genetiche e degenerative.
DA RNA A PROTEINE: UN PASSAGGIO CRUCIALE
Nel suo libro, “La macchina del gene”, Venki Ramakrishnan ha descritto il crescente interesse della comunità scientifica per il ribosoma - il macchinario per la lettura dell’mRNA - e per la costruzione della catena polipeptidca che poi assumerà la conformazione tridimensionale tipica delle proteine. Ma oggi l’evoluzione delle biotecnologie sta spingendo nella direzione di un intervento di correzione degli errori che si generano nel processo di traduzione del mRNA.
Quando l’mRNA si lega al ribosoma le sue basi nucleotidiche vengono lette a gruppi di tre - i gruppetti prendono il nome di codoni - ma la lettura non sarebbe possibile senza l’ausilio di un altro particolare tipo di RNA, l’RNA transfer (tRNA) che da una parte reca l’anticodone - cioè la tripletta complementare a quella dell’mRNA - e dall’altra l’amminoacido da aggiungere alla catena polipetidica. È possibile immaginare il tRNA come una sorta di chiave che si aggancia in un punto esatto dell’mRNA e permette di allungare la catena di aminoacidi che formeranno la proteina. E quando nell’mRNA giunge una speciale combinazione di lettere - il codone di stop - la catena si interrompe e inizia il ripiegamento tridimensionale della catena proteica.
Se, però, intervengono degli errori in un codone, il tRNA potrebbe aggiungere un aminoacido sbagliato o chiudere anzitempo la catena di aminoacidi, provocando così la formazione di una proteina disfunzionale o, peggio ancora, tossica per l’organismo. Nel caso della sindrome di Dravet, in alcuni pazienti la malattia è causata da una mutazione del gene SCN1A che porta alla formazione di uno stop prematuro nel processo di traduzione del gene. Questo genera la formazione di proteine anomale che non possono svolgere il loro ruolo: supportare l’entrata degli ioni sodio nelle cellule. Un danno genetico che si manifesta clinicamente con ripetute crisi epilettiche.
PUNTARE AI tRNA SOPPRESSORI
La prima strategia che verrebbe in mente per combattere questa patologia è la terapia genica, ma il gene SCN1A è di dimensioni troppo grandi per essere alloggiato dentro un vettore virale ed essere portato dentro le cellule. I ricercatori stanno quindi ideando un sistema di “riparazione” del danno ricorrendo ai cosiddetti tRNA soppressori, ovvero molecole di tRNA che sono in grado di riconoscere i codoni di stop prematuri e “silenziare” il loro effetto permettendo alla catena di aminoacidi di continuare ad esser formata fino al raggiungimento del corretto codone di stop.
I ricercatori hanno inoltre diretto la loro attenzione verso le tecniche di editing del genoma come CRISPR per modificare direttamente i tRNA, piccole molecole della lunghezza di 70-80 nucleotidi e presenti in centinaia di copie diverse. Se si considera che gli aminoacidi “caricati” sono solo di venti tipi diversi, c’è da chiedersi il motivo di una tale ridondanza di tRNA. Ma i ricercatori stanno valutando di sfruttare questa diversità per creare svariati tRNA soppressori di sintesi, modificando la sequenza del loro anticodone (basterebbe cambiare anche solo un nucleotide) per far in modo che si aggancino nel posto giusto e correggere l’errore.
UNA STRATEGIA PER DIVERSE PATOLOGIE
Ciò avrebbe anche un vantaggio non trascurabile perché i tRNA così costruiti potrebbero essere usati per diverse malattie. Infatti, mentre la terapia genica e le tecniche di editing del genoma sono progettate e realizzate in maniera mirata per una data patologia, tRNA soppressori con diversi anticodoni potrebbero funzionare per molte persone affette da patologie in cui la causa di malattia è una mutazione che genera un codone di stop, come ad esempio la fibrosi cistica o la distrofia muscolare di Duchenne.
Sebbene questo sia un settore di ricerca nato in tempi piuttosto recenti, sono diverse le aziende biotecnologiche che stanno puntando a questa nuova strategia. Sono in corso diversi studi preclinici su modelli animali mentre la ricerca sta procedendo senza sosta e sta guardando anche ai tRNA “potenziatori”, cioè molecole che favoriscono l’aumento di produzione di proteine in quegli individui in cui una mutazione causa la quantità, causando un danno all’organismo.
QUESTIONE APERTA: LA SICUREZZA
Quello dei tRNA è un terreno ancora da esplorare e un quesito fondamentale a cui gli scienziati vogliono dare una risposta è relativo alla sicurezza di queste molecole: occorre capire se i tRNA soppressori (o potenziatori) saranno precisi nella loro azione o se rischieranno di legarsi ad altre sequenze di stop e causare ancora più danni all’organismo. Un interrogativo che richiama alla mente quello già posto dall’editing del genoma con gli eventi “off target”.
In realtà, gli scienziati hanno già iniziato a notare che i tRNA soppressori rappresentano una tecnologia sicura e ciò grazie alla cosiddetta tecnica del profiling del ribosoma - il macchinario responsabile della lettura e traduzione dell’mRNA in proteine - di cui parla anche Ramakrishnan nel suo libro e che permette di ottenere una sorta di “fotografia istantanea” di quello che i ribosomi stanno facendo. Seguendo tutta la lunghezza del filamento di mRNA è, infatti, possibile vedere - e ricostruire - le diverse fasi dell’attività del ribosoma. Questo consente di sapere che cosa esso stia leggendo in un dato momento e se stia o meno oltrepassando i codoni di stop.
I tRNA soppressori non spingono ad ignorare i normali codoni di stop. Il motivo per cui essi riescano ad agganciarsi meglio ai codoni di stop prematuri - favorendo perciò la correzione degli errori - rimane un mistero sul quale molti ricercatori stanno puntando la loro curiosità.
