Un approccio relativamente nuovo chiamato "prime editing" consente l'editing genetico con eccezionale precisione ed elevata versatilità, ma presenta un compromesso critico:efficienza variabile e spesso bassa nell'installazione della modifica. In altre parole, sebbene le modifiche principali possano essere apportate con elevata precisione e con pochi sottoprodotti indesiderati, l'approccio spesso non riesce ad apportare tali modifiche a frequenze ragionevoli.

In un articolo apparso sulla rivista Nature il 18 aprile 2024, gli scienziati di Princeton Jun Yan e Britt Adamson, insieme a diversi colleghi, descrivono un primo editor più efficiente.

I sistemi di editing Prime sono costituiti almeno da due componenti:una versione modificata dell’elemento proteico di CRISPR/Cas9 e una molecola di acido ribonucleico (RNA) chiamata pegRNA. Questi componenti lavorano insieme in diverse fasi coordinate:in primo luogo, il pegRNA lega la proteina e guida il complesso risultante nella posizione desiderata nel genoma.

Lì, la proteina intacca il DNA e, utilizzando una sequenza modello codificata sul pegRNA, "trascrive al contrario" una modifica nel genoma vicino. In questo modo, i redattori principali "scrivono" sequenze esatte nel DNA mirato.

"Il prime editing è uno strumento di editing genomico incredibilmente potente perché ci offre un maggiore controllo sul modo esatto in cui vengono modificate le sequenze genomiche", ha affermato Adamson.

All'inizio del loro studio, Adamson e Yan, uno studente laureato del gruppo di ricerca di Adamson e del Dipartimento di Biologia Molecolare, hanno ragionato sul fatto che processi cellulari sconosciuti potrebbero aiutare o ostacolare il prime editing. Per identificare tali processi, Yan ha delineato un piano concettualmente semplice:in primo luogo, avrebbe progettato una linea cellulare che emettesse fluorescenza verde quando fossero state installate alcune modifiche principali. Quindi, bloccherebbe sistematicamente l'espressione delle proteine ​​normalmente espresse all'interno di quelle cellule e misurerebbe la fluorescenza indotta dall'editing per determinare quale di quelle proteine ​​influisce sull'editing primario.

Eseguendo questo piano, il team ha identificato 36 determinanti cellulari del prime editing, solo uno dei quali, la piccola proteina La che lega l'RNA, ha promosso l'editing.

"Sebbene promuovere il prime editing non sia ovviamente una funzione normale della proteina La, i nostri esperimenti hanno dimostrato che può facilitare notevolmente il processo", ha detto Yan.

All'interno delle cellule, è noto che il La lega sequenze specifiche che spesso si trovano alle estremità di piccole molecole di RNA nascenti e protegge tali RNA dalla degradazione. Il team di Princeton ha riconosciuto subito che i pegRNA utilizzati nei primi esperimenti di Yan probabilmente contenevano quelle sequenze esatte, chiamate tratti poliuridinici, poiché sono un sottoprodotto tipico ma spesso trascurato dell'espressione dei pegRNA nelle cellule. Esperimenti successivi hanno suggerito che tali pegRNA sfruttano inavvertitamente l'attività di legame terminale di La per protezione e per promuovere il prime editing.

Motivato dai risultati, il team si è chiesto se la fusione della parte di La che lega i tratti di poliuridina a una proteina standard di editing primario potesse aumentare l’efficienza dell’editing primario. Sono stati entusiasti di scoprire che la proteina risultante, che chiamano PE7, ha sostanzialmente migliorato l'efficienza prevista dell'editing primario in tutte le condizioni e, quando si utilizzano alcuni sistemi di editing primario, ha lasciato molto basse le frequenze dei sottoprodotti indesiderati.

I loro risultati hanno rapidamente attirato l’attenzione dei colleghi interessati all’utilizzo del prime editing nelle cellule umane primarie, tra cui Daniel Bauer del Boston Children’s Hospital e della Harvard Medical School e Alexander Marson dell’Università della California, a San Francisco. Insieme agli scienziati di questi laboratori, il team di ricercatori ha continuato a dimostrare che PE7 può anche migliorare l'efficienza dell'editing primario in tipi cellulari rilevanti dal punto di vista terapeutico, offrendo una maggiore promessa per future applicazioni cliniche.

"Questo lavoro è un bellissimo esempio di come sondare in profondità il funzionamento interno delle cellule possa portare a intuizioni inaspettate che potrebbero produrre un impatto biomedico a breve termine", ha osservato Bauer.