Un team del Marine Biological Laboratory (MBL) ha realizzato il primo knockout genico in un cefalopode, usando il calamaro Doryteuthis pealeii, un organismo di ricerca eccezionalmente importante in biologia. Lo studio cardine, condotto dallo scienziato senior MBL Joshua Rosenthal e dalla scienziata MBL Whitman Karen Crawford, è stato pubblicato su Current Biology .
Ma cos’è il knockout genico? Si tratta di una tecnica utilizzata in genetica, secondo la quale si rimpiazza un gene con un suo derivato inattivo mediante il ‘bersagliamento’ di un gene (ingl. gene targeting). Si inserisce DNA estraneo, in modo mirato, in un preciso locus del genoma mediante ricombinazione omologa; una volta integrata nel genoma, la sequenza modificata è trasmessa stabilmente alle cellule figlie.
Le cellule, una volta modificate, vengono reinserite nell’animale (di solito topi) ottenendo esemplari knockout per un gene, la funzione del quale può essere studiata per difetto: grazie a questo processo di sostituzione genica, lo studioso può verificare in che modo la perdita del gene normale influenza l’organismo.
Questa tecnica di elezione per l’analisi della funzione genica e per la simulazione negli animali (topi knockout) è utile ai fini di valutare le condizioni patologiche umane.
La tecnologia dei geni knockout è stata rilevante nello studio delle malattie ereditarie recessive, ossia dovute all’alterazione di entrambe le copie di un determinato gene: una volta individuato il gene responsabile della malattia nell’uomo, è possibile isolare l’omologo murino, alterarlo nelle cellule staminali embrionali, ottenere animali eterozigoti e, successivamente, mediante opportuni incroci, animali omozigoti per la mutazione.
Tornando ai piccoli calamari, il team ha utilizzato l’editing del genoma CRISPR-Cas9 per eliminare un gene della pigmentazione negli embrioni dei calamari, che ha sradicato la pigmentazione nell’occhio e nelle cellule della pelle (cromatogrammi) con un eccellente riscontro.
“Questo è un primo passo fondamentale verso la capacità di espellere e colpire i geni nei cefalopodi per affrontare una serie di domande biologiche“, ha dichiarato Rosenthal.
I cefalopodi (calamari, polpi e seppie) hanno il cervello più grande di tutti gli invertebrati, un sistema nervoso in grado di mimetizzarsi istantaneamente e con comportamenti sofisticati; un piano corporeo unico e la capacità di ricodificare ampiamente le proprie informazioni genetiche all’interno dell’RNA messaggero, insieme ad altri caratteristiche distintive. Grazie a tutte queste peculiarità, nella sperimentazione scientifica hanno applicazioni in una vasta gamma di campi, dall’evoluzione e sviluppo, alla medicina, alla robotica, alla scienza dei materiali e all’intelligenza artificiale.
La capacità di eliminare un gene per testarne la funzione è un passo importante nello sviluppo di cefalopodi come organismi geneticamente trattabili per la ricerca biologica, aumentando la manciata di specie che attualmente dominano gli studi genetici, come moscerini della frutta , pesce zebra e topi.
Non solo, essi facilitano la ricerca, come i geni che codificano per le proteine fluorescenti che possono essere rappresentate per tracciare l’attività neurale o altri processi dinamici.
“CRISPR-Cas9 ha funzionato molto bene in Doryteuthis ; è stato sorprendentemente efficiente”, afferma Rosenthal. Molto più impegnativo è stato quello di consegnare il sistema CRISPR-Cas nell’embrione di seppia monocellulare, che è circondato da uno strato esterno estremamente resistente, e quindi ci sono state difficoltà nel raggiungere l’embrione attraverso la schiusa. Il team ha sviluppato micro-forbici per tagliare la superficie dell’uovo e un ago al quarzo smussato per fornire i reagenti CRISPR-Cas9 attraverso la clip.
Gli studi con Doryteuthis pealeii hanno portato a progressi fondamentali nella neurobiologia, a partire dalla descrizione del potenziale d’azione (impulso nervoso) negli anni ’50, una scoperta per la quale Alan Hodgkin e Andrew Huxley sono diventati vincitori del Premio Nobel nel 1963.
Recentemente, Rosenthal e colleghi hanno scoperto un’ampia ricodifica dell’mRNA nel sistema nervoso di Doryteuthis e altri cefalopodi. Questa ricerca è in fase di sviluppo per potenziali applicazioni biomediche, come la terapia di gestione del dolore.
