Oltre le forbici genetiche: scoperto un nuovo meccanismo CRISPR

I batteri dispongono di un'ampia varietà di meccanismi per respingere gli invasori come i virus. Una di queste strategie prevede la scissione degli acidi ribonucleici di trasferimento (tRNA), che sono presenti in tutte le cellule e svolgono un ruolo fondamentale nella traduzione dell'RNA messaggero (mRNA) in proteine essenziali. La loro inattivazione limita la produzione di proteine, causando la quiescenza della cellula infetta. Di conseguenza, l'aggressore non può continuare a replicarsi e a diffondersi all'interno della popolazione batterica.

Una difesa batterica comune che finora non è stata associata alla scissione del tRNA è rappresentata dai sistemi CRISPR-Cas. CRISPR utilizza proteine guidate dall'RNA, note come nucleasi Cas (da CRISPR-associated), per riconoscere gli invasori in base al loro materiale genetico e disattivarli. Una volta identificato un agente patogeno, le nucleasi innescano una risposta immunitaria unica per ogni sistema. Questa comprende, ad esempio, la scissione del DNA estraneo o l'arresto della crescita attraverso la degradazione diffusa di RNA e DNA. Questi meccanismi sono già stati impiegati dall'uomo in molti modi e la CRISPR è stata riconosciuta come una base importante per le tecnologie di editing del genoma. Tuttavia, fino ad ora non si sapeva che CRISPR-Cas si rivolge preferenzialmente anche ai tRNA come parte di una risposta immunitaria.

Una scoperta inaspettata

I ricercatori dell'Istituto Helmholtz per la ricerca sulle infezioni basate sull'RNA (HIRI), un sito del Centro Helmholtz di Braunschweig per la ricerca sulle infezioni (HZI) in collaborazione con la Julius-Maximilians-Universität di Würzburg (JMU), hanno collaborato con scienziati dell'HZI e della Utah State University (USU) per scoprire un nuovo meccanismo CRISPR che prende di mira i tRNA. "Questi risultati sono stati completamente inaspettati", spiega Chase Beisel, capo dipartimento affiliato all'HIRI e autore corrispondente dello studio, pubblicato oggi sulla rivista Nature. "Il nostro team stava lavorando su proteine associate a un'unica nucleasi chiamata Cas12a2", aggiunge Beisel.

In due studi pubblicati sulla rivista Nature nel gennaio 2023, i team di cui faceva parte Chase Beisel hanno descritto come avevano trovato Cas12a2 in una famiglia di nucleasi che scindono esclusivamente il DNA. Al contrario, la Cas12a2 era in grado di tagliare ampiamente sia l'RNA che il DNA. "Abbiamo ipotizzato che questa famiglia di proteine potesse contenere altre funzioni speciali. E avevamo ragione: abbiamo trovato Cas12a3 con le sue proprietà uniche", aggiunge Oleg Dmytrenko, ex postdoc nel laboratorio di Beisel e primo autore dello studio recentemente pubblicato su Nature.

L'opposto polare

Come Cas12a2, anche Cas12a3 utilizza un RNA guida per riconoscere le sequenze di RNA estranee. Tuttavia, una corrispondenza fa sì che Cas12a3 cambi forma, per poi legarsi e tagliare una regione specifica del tRNA, ovvero la sua coda. "Questa precisione rende Cas12a3 l'opposto del suo parente più prossimo, Cas12a2, che taglia in modo non specifico ma completo", spiega Ryan Jackson, professore alla USU e autore corrispondente dello studio.

La cosiddetta coda 3' è la parte più conservata di tutti i tRNA. Ciò significa che è rimasta invariata in molti organismi. Questa regione è cruciale per la funzione e la stabilità del tRNA e quindi non è cambiata quasi per nulla dal punto di vista evolutivo. Ad essa è attaccato un amminoacido attivato, il principale elemento costitutivo delle proteine. Durante la traduzione delle proteine, gli amminoacidi vengono trasferiti dal tRNA alla catena polipeptidica in crescita. Pertanto, la rimozione della coda del tRNA è un modo efficace per bloccare la produzione di proteine, un processo vitale per la cellula.

La struttura di Cas12a3, che il team è riuscito a scoprire utilizzando la microscopia crioelettronica dell'HZI, rivela come la nucleasi riconosce i tRNA: "Siamo riusciti a identificare una parte unica che abbiamo chiamato 'dominio di caricamento del tRNA'", spiega Dirk Heinz, capo dipartimento dell'HZI e autore co-corrispondente. "Il suo compito è quello di posizionare con precisione il tRNA-3'-coda nel punto giusto per la scissione", aggiunge Biao Yuan, postdoc nel laboratorio di Heinz e primo autore dell'articolo.

I ricercatori sono riusciti a sfruttare direttamente questa elevata precisione: hanno combinato la Cas12a3 con altre due nucleasi che effettuano anch'esse il clivaggio con precisione, ma si concentrano su altri RNA distinti. In questo modo, il team è stato in grado di rilevare simultaneamente gli RNA di tre virus diversi: il virus dell'influenza, il virus respiratorio sinciziale (RSV) e il SARS-CoV-2. "Questo non solo ci ha permesso di superare i limiti della diagnostica basata su CRISPR. I risultati della nostra ricerca potrebbero anche aprire la strada a test point-of-care economici e facili da eseguire per un'ampia gamma di malattie", afferma Beisel.

Una diversità nascosta

La scissione delle code dei tRNA rappresenta una nuova risposta immunitaria CRISPR e dimostra i diversi modi in cui i batteri possono combattere le infezioni. Il lavoro fa luce sull'enorme diversità funzionale che si nasconde nei meccanismi di difesa batterici già noti e che deve essere indagata.

Il team di ricerca ha già pianificato i prossimi passi: "Nella speranza di scoprire ulteriori variazioni, vogliamo esplorare questa piccola sezione dei meccanismi di difesa CRISPR in modo ancora più approfondito", afferma Heinz, guardando al futuro. "Inoltre, abbiamo intenzione di rendere Cas12a3 utilizzabile come tecnologia per la diagnostica molecolare e altre applicazioni", conclude Jackson.