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La svolta: gli scienziati rivelano la “pietra di Rosetta” della funzione delle cellule immunitarie

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I ricercatori adattano una variazione del sistema CRISPR-Cas9 per attivare i geni nelle cellule immunitarie umane e studiarne le conseguenze

Zachary Steinhart (a sinistra) e Ralf Schmidt (a destra) fanno parte di un team di ricercatori che ha adattato una variazione del sistema CRISPR per testare ogni gene nel genoma e scoprire rapidamente geni che possono essere “attivati” nelle cellule immunitarie per potenziare il loro funzioni. Foto: Michael Short/Gladstone Institute

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SAN FRANCISCO , 4 febbraio 2022 /PRNewswire/ — L’editing del genoma CRISPR è servito come un potente strumento per eliminare o alterare le sequenze di DNA e studiare l’effetto risultante. Una recente variazione, nota come CRISPRa, consente ai ricercatori di attivare con la forza i geni, anziché modificarli, nelle cellule umane. Ora, i ricercatori del Gladstone Institutes e dell’UC San Francisco (UCSF) hanno adattato il sistema CRISRa alle cellule immunitarie umane. Questo nuovo strumento offre loro un modo più completo e rapido per scoprire i geni che svolgono un ruolo nella biologia delle cellule immunitarie rispetto a quanto possibile in precedenza.

“Questa è una svolta entusiasmante che accelererà la ricerca sull’immunoterapia”, afferma Alex Marson , MD, PhD , direttore del Gladstone-UCSF Institute of Genomic Immunology e autore senior del nuovo studio. “Questi esperimenti CRISPRa creano una stele di Rosetta per capire quali geni sono importanti per ogni funzione delle cellule immunitarie. A sua volta, questo ci darà nuove informazioni su come alterare geneticamente le cellule immunitarie in modo che possano diventare trattamenti per il cancro e le malattie autoimmuni”.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Science , è il primo ad utilizzare con successo CRISRa su larga scala nelle cellule umane primarie, che sono cellule isolate direttamente da una persona.

Gli scienziati hanno attivato ciascun gene nel genoma in cellule diverse, consentendo loro di testare quasi 20.000 geni in parallelo. Ciò ha permesso loro di apprendere rapidamente le regole su quali geni forniscono le leve più potenti per riprogrammare le funzioni cellulari in modi che potrebbero eventualmente portare a immunoterapie più potenti.

Un nuovo tipo di CRISPR

Il sistema di modifica del genoma CRISPR-Cas9 si basa in genere sulle proteine ??Cas9, spesso descritte come “forbici molecolari”, per tagliare il DNA nelle posizioni desiderate lungo il genoma.

Negli ultimi anni, Marson e i suoi colleghi hanno utilizzato le forbici mirate di CRISPR per rimuovere selettivamente (o “eliminare”) i geni da vari tipi di cellule immunitarie umane, compresi i linfociti T regolatori e i monociti . I loro risultati hanno iniziato a chiarire come le cellule immunitarie possono essere progettate per essere più efficaci contro infezioni, infiammazioni o cancro. Ma la sua squadra sapeva che mancava ancora parte della storia.

“L’eliminazione dei geni è ottimo per comprendere le basi del funzionamento delle cellule immunitarie, ma un approccio di solo eliminazione può non individuare alcuni geni davvero critici”, afferma Zachary Steinhart , PhD, studioso post-dottorato presso il Marson Lab e co-first autore del nuovo articolo.

In particolare, eliminare un gene non ti dice cosa accadrebbe se invece rendessi il gene più attivo.

Quindi i ricercatori si sono rivolti a CRISPRa, abbreviazione di attivazione CRISPR. In CRISRa, la proteina Cas9 viene alterata in modo che non possa più tagliare il DNA. Piuttosto, gli scienziati possono collegare un attivatore, un interruttore “on” molecolare, a Cas9, in modo che quando si lega a un gene, lo attivi. In alternativa, possono collegare un repressore, un interruttore “off”, a Cas9 per disattivare i geni, ottenendo un risultato simile a un tipico approccio ad eliminazione diretta (chiamato CRISPRi per l’interferenza CRISPR).

Mappatura dei geni delle cellule T

I linfociti T, un tipo di globuli bianchi, sono uno dei mediatori chiave dell’immunità nel corpo umano; non solo prendono di mira i patogeni invasori, ma indirizzano anche altre cellule immunitarie ad aumentare o diminuire le loro risposte agli intrusi o alle cellule tumorali. Questo messaggio si ottiene attraverso la produzione di molecole di segnalazione note come citochine. Diversi tipi di cellule T producono diversi repertori di citochine e diverse citochine o cocktail di citochine hanno effetti diversi sulla risposta immunitaria.

Il controllo delle citochine dei linfociti T, afferma Marson, offrirebbe nuove opportunità per rimodellare intere risposte immunitarie in un’ampia gamma di diversi contesti patologici. Ma i ricercatori hanno una comprensione incompleta di quali geni controllano esattamente quali citochine.

Nel nuovo lavoro, Marson, Steinhart e il co-primo autore Ralf Schmidt , MD, hanno lavorato con i loro colleghi per adattare CRISPRa e CRISPRi per lavorare ad alta efficienza nei linfociti T primari, qualcosa che non era mai stato fatto prima.

“Questa maggiore efficienza nel fornire i macchinari CRISPRa o CRISPRi nelle cellule è stata fondamentale per consentire esperimenti a livello del genoma e accelerare le scoperte”, afferma Marson.

Quindi, il team di ricerca ha utilizzato questi approcci per attivare o inattivare quasi 20.000 geni nelle cellule T umane isolate direttamente da più volontari sani. Hanno esaminato le cellule risultanti per le modifiche alla produzione di citochine e hanno puntato su centinaia di geni che fungono da regolatori chiave delle citochine, inclusi alcuni mai identificati prima negli schermi knock-out.

“Il nostro lavoro dimostra la precisione e la scalabilità di questa tecnologia nelle cellule T umane”, afferma Schmidt. “E abbiamo imparato rapidamente le regole su quali geni potresti attivare per comporre i livelli di alcune citochine”.

Migliori terapie con cellule T

Per trattare alcuni tipi di cancro, i medici utilizzano sempre più la terapia cellulare CAR-T, in cui le cellule T vengono rimosse dal corpo di un paziente, ingegnerizzate in un laboratorio per colpire le cellule tumorali e quindi reinfuse. Aumentare la capacità delle cellule T di combattere il cancro, ad esempio alterando la loro produzione di citochine, potrebbe rendere la terapia cellulare CAR-T ancora più potente.

“I nostri nuovi dati ci forniscono questo manuale di istruzioni incredibilmente ricco per i linfociti T”, afferma Marson. “Ora abbiamo un linguaggio molecolare di base che possiamo usare per progettare una cellula T in modo che abbia proprietà molto precise”.

Il laboratorio di Marson sta ora studiando alcuni dei singoli geni identificati nel loro schermo, oltre a lavorare per sfruttare ulteriormente CRISPRa e CRISPRi per scoprire i geni che controllano altri tratti critici nelle cellule immunitarie umane.

“Lavorando con il Gladstone-UCSF Institute of Genomic Immunology, l’Innovative Genomics Institute e l’UCSF Living Therapeutics Initiative, il nostro team spera ora di utilizzare il nostro nuovo manuale di istruzioni per creare programmi genetici sintetici che possono essere ingegnerizzati con CRISPR nel cellulare di prossima generazione immunoterapie per il trattamento di un’ampia gamma di malattie”, afferma Marson.

Circa lo studio

Il 4 febbraio 2022 è stato pubblicato sulla rivista Science il documento “CRISPR activation and interference screens decodificare le risposte di stimolazione nei linfociti T umani primari” . Altri autori sono Madeline Layeghi, Jacob Freimer , Franziska Blaeschke e Chun Jimmie Ye di Gladstone; e Raymond Bueno e Vinh Nguyen dell’UCSF.

Il lavoro è stato sostenuto dal National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (DP3DK111914-01, P30 DK063720), dalla Simons Foundation, dal Burroughs Wellcome Fund, dal Cancer Research Institute, dal Parker Institute for Cancer Immunotherapy, dall’Innovative Genomics Institute, National Institutes of Health (S10 1S10OD021822-01), Chan Zuckerberg Biohub e doni della famiglia Byers, Barbara Bakar , Karen Jordan ed Elena Radutzky .

A proposito di Gladstone Institutes

Per garantire che il nostro lavoro faccia il massimo del bene, Gladstone Institutes si concentra su condizioni con un profondo impatto medico, economico e sociale: malattie irrisolte. Gladstone è un’organizzazione di ricerca sulle scienze della vita indipendente e senza scopo di lucro che utilizza la scienza e la tecnologia visionarie per superare le malattie. Ha un’affiliazione accademica con l’ Università della California, San Francisco .

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