Gli scienziati dell’Arc Institute hanno scoperto il meccanismo della ricombinasi a ponte, uno strumento rivoluzionario che consente riarrangiamenti del DNA completamente programmabili.
La ricombinasi a ponte del DNA
La loro scoperta è la prima ricombinasi del DNA che utilizza un RNA non codificante per la selezione specifica della sequenza di molecole di DNA target e donatore. Questo RNA ponte è programmabile, consentendo all’utente di specificare qualsiasi sequenza target genomica desiderata e qualsiasi molecola di DNA donatore da inserire.
La ricerca è stata sviluppata in collaborazione con i laboratori di Silvana Konermann, ricercatrice principale dell’Arc Institute e Professoressa associata di biochimica presso la Stanford University, e di Hiroshi Nishimasu, Professore di biologia strutturale presso l’Università di Tokyo.
Lo studio
“Il sistema della ricombinasi a ponte del DNA è un meccanismo fondamentalmente nuovo per la programmazione biologica“, ha affermato il dottor Patrick Hsu, autore senior dello studio e Arc Institute Core Investigator e University of California, Berkeley Assistant Professor of Bioengineering.
“La ricombinasi a ponte può modificare universalmente il materiale genetico tramite inserimento, escissione, inversione e altro ancora, consentendo un word processor per il genoma vivente oltre a CRISPR“.
Il sistema di ricombinasi a ponte deriva dagli elementi della sequenza di inserimento 110 (IS110), uno degli innumerevoli tipi di elementi trasponibili, o “geni saltellanti“, che tagliano e incollano se stessi per muoversi all’interno e tra i genomi microbici. Gli elementi trasponibili si trovano in tutte le forme di vita e si sono evoluti in macchine professionali per la manipolazione del DNA per sopravvivere.
Gli elementi IS110 sono molto minimi, costituiti solo da un gene che codifica l’enzima ricombinasi, più segmenti di DNA fiancheggianti che, fino ad ora, sono rimasti un mistero.
Il laboratorio Hsu ha scoperto che quando IS110 si escinde da un genoma, le estremità del DNA non codificante si uniscono per produrre una molecola di RNA, l’RNA ponte, che si ripiega in due loop. Un loop si lega all’elemento IS110 stesso, mentre l’altro loop si lega al DNA bersaglio in cui verrà inserito l’elemento. L’RNA ponte è il primo esempio di molecola guida bispecifica, che specifica la sequenza sia del DNA bersaglio che di quello donatore tramite interazioni di appaiamento di basi.
Ogni loop della ricombinasi a ponte è programmabile in modo indipendente, consentendo ai ricercatori di mescolare e abbinare qualsiasi sequenza di DNA target e donatore di interesse.
Questo significa che il sistema può andare ben oltre il suo ruolo naturale che inserisce l’elemento IS110 stesso, consentendo invece l’inserimento di qualsiasi carico genetico desiderabile, come una copia funzionale di un gene difettoso e patogeno, in qualsiasi posizione genomica.
In questo lavoro, il team ha dimostrato un’efficienza di inserimento di oltre il 60% di un gene desiderato nell’E. coli con oltre il 94% di specificità per la corretta posizione genomica.
“Queste ricombinasi a ponte del DNA programmabili distinguono IS110 da altre ricombinasi note, che non hanno un componente RNA e non possono essere programmate“, ha affermato il coautore principale Nick Perry, dottore in bioingegneria alla UC Berkeley: “È come se l’RNA ponte fosse un adattatore di alimentazione universale che rende IS110 compatibile con qualsiasi presa”.
La scoperta del laboratorio Hsu è stata completata dalla loro collaborazione con il laboratorio del Dottor Hiroshi Nishimasu presso l’Università di Tokyo e pubblicata su Nature. Il laboratorio Nishimasu ha utilizzato la microscopia crioelettronica per determinare le strutture molecolari della complessa ricombinasi a ponte RNA legato al DNA bersaglio e donatore, procedendo in sequenza attraverso i passaggi chiave del processo di ricombinazione.
Conclusioni
Con ulteriori esplorazioni e sviluppi, la ricombinasi a ponte promette di inaugurare una terza generazione di sistemi guidati da RNA, espandendosi oltre i meccanismi di taglio di DNA e RNA di CRISPR e RNA interference (RNAi) per offrire un meccanismo unificato per riarrangiamenti di DNA programmabili.
Fondamentale per l’ulteriore sviluppo del sistema di ricombinasi a ponte per la progettazione del genoma dei mammiferi, unisce entrambi i filamenti di DNA senza rilasciare frammenti di DNA tagliati, aggirando una limitazione chiave delle attuali tecnologie di editing del genoma all’avanguardia.
“Il meccanismo di ricombinasi a ponte risolve alcune delle sfide fondamentali che devono affrontare altri metodi di editing del genoma“, ha concluso il co-responsabile della ricerca Matthew Durrant, uno scienziato senior presso Arc: “La capacità di riorganizzare in modo programmabile due molecole di DNA qualsiasi apre le porte a innovazioni nella progettazione del genoma”.
