La tecnologia del gene-drive potrebbe alterare il genoma di un’intera specie. I ricercatori devono rispondere a queste domande chiave prima di distribuirlo in natura.
162 | NATURE | VOL 571 | 11 JULY 2019
https://media.nature.com/original/magazine-assets/d41586-019-02087-5/d41586-019-02087-5.pdf
Di Megan Scudellari
Austin Burt e Andrea Crisanti avevano cercato per otto anni di dirottare il genoma della zanzara.
Volevano aggirare la selezione naturale e inserire un gene che sarebbe proliferato anche se il popolamento più veloce di una mutazione tramandata dal consueto processo di ereditarietà. Nella parte posteriore della loro mente c’era un modo per prevenire la malaria diffondendo un gene per mettere fuori combattimento le popolazioni di zanzare in modo che non possano trasmettere la malattia.
Crisanti ricorda di aver fallito ancora e ancora. Ma finalmente, nel 2011, i due genetisti dell’Imperial College di Londra hanno ottenuto i risultati del DNA che speravano: un gene che avevano inserito nel genoma della zanzara si era irradiato attraverso la popolazione, raggiungendo oltre l’85% dei discendenti degli insetti1.
È stato il primo “gene drive” ingegnerizzato: una modificazione genetica progettata per diffondersi in una popolazione a tassi di eredità superiori al normale. Le unità geniche sono diventate rapidamente una tecnologia di routine in alcuni laboratori; gli scienziati possono ora preparare un disco in mesi. La tecnica si basa sullo strumento di editing genetico CRISPR e alcuni bit di RNA per alterare o silenziare un gene specifico o inserirne uno nuovo. Nella generazione successiva, l’intera unità si copia sul cromosoma partner in modo che il genoma non abbia più la versione naturale del gene scelto, ma ha invece due copie del gene drive. In questo modo, le modifiche vengono trasmesse a più del 100% della prole, anziché a circa il 50% (vedere “Come funzionano i gene drive”).
Dal 2014, gli scienziati hanno progettato un sistema di trasmissione genica basato su CRISPR in zanzare, moscerini della frutta e funghi e li stanno attualmente sviluppando nei topi.
Ma questo è solo l’inizio della storia.
Le domande sulla possibilità di un gene drive sono state soppiantate da altre incognite: quanto bene funzioneranno, come testarle e chi dovrebbe regolare la tecnologia. I propulsori genetici sono stati proposti come un modo per ridurre o eliminare le malattie trasmesse dagli insetti, controllare le specie invasive e persino invertire la resistenza agli insetticidi nei parassiti. Nessun gene drive ingegnerizzato è ancora stato rilasciato in natura, ma in linea di principio la tecnologia potrebbe essere pronta entro tre anni, afferma Crisanti. Collabora con Target Malaria, un consorzio di ricerca internazionale senza scopo di lucro che cerca di utilizzare le zanzare a trasmissione genetica per il controllo della malaria in Africa. Il 1°luglio, il gruppo ha rilasciato un lotto di prova di zanzare – geneticamente modificate ma non ancora dotate di gene drive – in un villaggio del Burkina Faso.
Le pulsioni geniche sono diverse da qualsiasi rimedio ecologico mai testato prima, afferma Fredros Okumu, direttore scientifico dell’Istituto di salute Ifakara di Dar es Salaam, in Tanzania. “Le pulsioni geniche si diffonderanno da sole”, afferma.
“Dobbiamo preparare le persone e condividere le informazioni apertamente con tutti i paesi interessati”.
Le sfide tecniche non sono così scoraggianti come quelle sociali e diplomatiche, afferma il bioingegnere Kevin Esvelt del Media Lab del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge, che è stato tra i primi a costruire un gene drive basato su CRISPR.
“Tecnologie come questa hanno conseguenze nel mondo reale per la vita delle persone che possono essere quasi immediate.”
Date le potenziali preoccupazioni sui geni drive, Nature esplora cinque domande chiave sulla tecnologia e le sue applicazioni.
I geni drive funzioneranno anche?
Costruire un gene drive per manipolare o sradicare una popolazione è come scegliere una lotta con la selezione naturale, e quella battaglia potrebbe non essere facile da vincere.
Non appena i ricercatori hanno iniziato a produrre unità geniche regolarmente nei laboratori, gli animali hanno sviluppato resistenza contro di loro, accumulando mutazioni che hanno impedito la diffusione delle unità. Nei test di due drive inseriti nei moscerini della frutta, ad esempio, si sono formate frequentemente varianti genetiche che conferiscono resistenza2. Più comunemente, le mutazioni alterano una sequenza che CRISPR è impostata per riconoscere, impedendo la modifica del gene. Negli esperimenti con le zanzare in gabbia, il ricercatore di Crisanti e Target Malaria Tony Nolan ha osservato una diminuzione graduale della frequenza del gene drive nel corso di più generazioni a causa di mutazioni resistenti nel gene bersaglio3. I risultati hanno scosso il campo. La resistenza renderebbe impotenti i gene drive?
Non necessariamente, se i ricercatori selezionano il target giusto. Alcuni geni sono altamente conservati, il che significa che qualsiasi cambiamento rischia di uccidere i loro proprietari.
Scegliere questi geni come obiettivo di guida significa meno mutazioni e meno resistenza. Nel settembre 2018, Crisanti e il suo team hanno fatto schiantare una popolazione di zanzare Anopheles Gambiae in gabbia con un’efficienza4 del 100 % effettuando una spinta che interrompe un gene della fertilità chiamato doublesex. Con l’unità in atto, le zanzare femmine non possono mordere e non depongono le uova; entro 8-12 generazioni, le popolazioni in gabbia non hanno prodotto affatto uova. E poiché è fondamentale per la procreazione, il doublesex è resistente alle mutazioni, comprese quelle che conferirebbero resistenza a un costrutto pulsionale.
Il team ha condotto nove esperimenti in gabbia di oltre un milione di inserimenti di unità mirati a doublesex e non ha riscontrato alcuna resistenza, afferma Crisanti. Ora il team sta adattando la spinta a tagliare non uno ma due loci sul gene doublesex, come curare una malattia con una combinazione di farmaci.
“Voglio assicurarmi che la probabilità di sviluppare resistenza sia molto, molto remota prima di dire che la tecnologia è pronta per il campo”.
Nei mammiferi, gli scienziati hanno molte più sfide fondamentali da affrontare rispetto alla resistenza. L’anno scorso, Kim Cooper e i suoi colleghi dell’Università della California, San Diego (UCSD), hanno progettato l’inizio di un gene drive in un mammifero, un drive che interrompe gene di topo, Tyr, e fa diventare bianco il mantello degli animali5. L’unità era efficiente solo al 72% nel copiare se stessa nel genoma e non ha funzionato bene nella linea germinale maschile, dice Cooper. Sospetta che ciò sia dovuto al fatto che la divisione cellulare avviene in momenti diversi nella formazione di uova e sperma, il che sembra influenzare la capacità della pulsione di copiare con successo da un cromosoma all’altro.
In quell’esperimento, il drive non si è auto-propagato e Cooper non ha seguito il tratto per più generazioni, quindi sottolinea che tecnicamente non può essere considerato un gene drive.
“C’è ancora così tanto lavoro da fare per dimostrare che qualcosa di simile è persino fattibile”.
A che altro servono i gene drive?
Sebbene le applicazioni per le zanzare dominino il campo, gli usi proposti dei gene drive includono anche la conservazione di ecosistemi delicati e l’accelerazione del lavoro di laboratorio.
Alcuni organismi hanno genomi difficili da manipolare, ma così facendo potrebbero aiutare i ricercatori a studiarli. Prendi la Candida albicans, un patogeno fungino umano spesso resistente ai farmaci. In qualità di ricercatrice post-dottorato presso il Broad Institute e il MIT di Cambridge, Massachusetts, Rebecca Shapiro ha sviluppato un sistema6 per guidare le mutazioni nel fungo con un’efficienza prossima al 100%. Ora può allevare il fungo per mettere a tacere due geni indipendenti e trasmettere quelle mutazioni alla prole.
“Funziona in modo follemente efficiente”, dice Shapiro, ora presso l’Università di Guelph in Canada.
Alla UCSD, Cooper sta utilizzando i gene drive per uno scopo simile, per creare e studiare tratti complessi nei topi.
Il programma Genetic Biocontrol of Invasive Rodents (GBIRd) vuole fare di più con i topi genetici che studiarli in laboratorio. GBIRd, una partnership di università, governi e organizzazioni non governative gestite dal gruppo senza scopo di lucro Island Conservation, vuole utilizzare la tecnologia per eliminare i roditori invasivi dalle isole, dove devastano la fauna selvatica nativa. I pesticidi sono attualmente utilizzati per questo scopo, ma sono costosi e difficili da usare su isole più grandi con popolazioni umane. Sono realizzabili solo su circa il 15% delle isole, afferma Royden Saah, program manager della GBIRd.
“Stiamo cercando di esaminare tecnologie che si prendano cura del restante 85%.”
I membri del GBIRd David Threadgill della Texas A&M University di College Station e Paul Thomas dell’Università di Adelaide in Australia stanno sviluppando tecnologie di trasmissione genica nei topi, sebbene Saah stima che passeranno diversi anni prima che queste unità funzionino con successo.
Nel frattempo, alcuni ricercatori sulle zanzare sperano di provare qualcosa di più sottile che spazzare via completamente le popolazioni di insetti come mezzo per prevenire le malattie. In un preprint di maggio7, Omar Akbari ei suoi colleghi dell’UCSD hanno progettato le zanzare Aedes aegypti per esprimere un anticorpo che proteggeva gli insetti contro tutti e quattro i principali ceppi di dengue. Ora stanno attaccando quell’anticorpo a una guida per vedere se si diffonderà.
Akbari sta anche costruendo un gene drive per tutti gli usi che attiva una tossina quando qualsiasi virus, non solo la dengue, infetta A. aegypti.
“Vogliamo costruire un cavallo di Troia nella zanzara”, dice Akbari. “Quando una zanzara viene infettata da un virus – che si tratti di dengue, Zika, chikungunya, febbre gialla, qualunque cosa – attiva il nostro sistema, che uccide la zanzara”.
I geni drive possono essere controllati?
Prima che Kevin Esvelt costruisse un singolo gene drive basato su CRISPR, si svegliava sudando freddo pensando alle ramificazioni.
“Mi sono reso conto, oh ehi, non si tratterà solo della malaria, questo potrebbe essere qualcosa che qualsiasi individuo che può creare una mosca della frutta transgenica potrebbe costruire per modificare tutti i moscerini della frutta.”
Non sorprende, quindi, che nel 2014, quando Esvelt e il genetista George Church hanno costruito il loro primo gene drive alla Harvard Medical School di Boston, Massachusetts, abbiano simultaneamente costruito un drive di inversione per sovrascrivere il drive originale a comando8.
Il resto del campo ha seguito l’esempio, sviluppando unità genetiche con controlli incorporati, sostituzioni esterne o entrambi. Il finanziamento della maggior parte di questo sforzo è la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) degli Stati Uniti, il braccio di ricerca del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. Nel 2017, il programma Safe Genes della DARPA ha annunciato di spendere 65 milioni di dollari in sette team di ricerca statunitensi che studiano come controllare, contrastare e invertire i gene drive.
“Stiamo mitigando il potenziale di abuso, accidentale o nefasto”, afferma Renee Wegrzyn, responsabile del programma per Safe Genes.
Esvelt, finanziato nella fase iniziale del programma, ha ideato una unità estenuante conosciuta come unità a margherita. L’unità è progettata per perdere un anello alla volta, come strappare un fiore da una testa collegata a una catena allo stelo, fino a quando non si esaurisce per diverse generazioni9.
All’UCSD, il team finanziato dal DARPA di Akbari sta sviluppando unità geniche che non dovrebbero essere in grado di diffondersi oltre una popolazione target di zanzare o mosche. Una tale spinta richiede un rilascio continuo per molte generazioni.
Quando questi rilasci si interrompono, viene diluito con versioni wild-type del gene e si cancella entro quattro anni. Potrebbe essere abbastanza lungo per eliminare un virus come Zika o Dengue da una popolazione di zanzare, dice Akbari.
“È qualcosa che è, secondo me, un po ‘più sicuro e comunque piuttosto efficace.”
Il team ha già prodotto diverse versioni di queste unità per Aaegypti, il principale vettore del virus dengue10.
Il team di Target Malaria sta inoltre sviluppando una contromisura, finanziata dalla DARPA, per fermare la diffusione della spinta a doppia frequenza in una popolazione.
Come si possono sperimentare i gene drive?
Al posto di un test sul campo – che il contratto DARPA Safe Genes vieta espressamente e per il quale i ricercatori concordano che la tecnologia non è pronta – i team stanno aumentando gli esperimenti in gabbia e costruendo modelli ecologici per esplorare i benefici e i rischi di un rilascio selvaggio in sicurezza.
Nella città di Terni, nel centro Italia, Crisanti e Nolan hanno arricchito le loro gabbie per zanzare con mutevoli condizioni ambientali.
“Vogliamo aumentare per testarlo su diversi background genetici, in scenari più realistici”
afferma Nolan, che ora gestisce un laboratorio presso la Liverpool School of Tropical Medicine, Regno Unito. Lui e Crisanti vogliono replicare il comportamento naturale dell’accoppiamento – come i maschi che formano sciami per attirare le femmine – per vedere come influisce sulla diffusione di un gene drive.
La dinamica della diffusione della spinta in quelle gabbie finora è “promettente”, dice Crisanti: la spinta viene trasmessa in modo efficiente senza segni di resistenza. Se non sorgono preoccupazioni negli esperimenti in gabbia più grandi, il team consegnerà la tecnologia a gruppi indipendenti per i test, al fine di ottenere l’approvazione normativa in circa tre anni, afferma. Il team di Target Malaria sta anche costruendo modelli ecologici di potenziali luoghi di rilascio per elaborare le dinamiche sul campo.
Lo studio più recente11 modella le popolazioni di zanzare in oltre 40.000 insediamenti in Burkina Faso e nei paesi circostanti. Prende in considerazione fiumi, laghi e precipitazioni, nonché i dati sul campo sul movimento delle zanzare. I risultati11 mostrano che sarà necessaria l’introduzione ripetuta, piuttosto che un singolo rilascio, di zanzare modificate nel corso di alcuni anni nei villaggi per ridurre il numero complessivo di insetti.
“La teoria dice che, in linea di principio, se rilasci una volta che si diffonde in tutto il continente. La realtà è che ciò avverrebbe molto lentamente”, afferma il biologo della popolazione Charles Godfray dell’Università di Oxford, nel Regno Unito, collaboratore di Target Malaria e ricercatore principale dello studio.
Un’altra preoccupazione è che i gene drive hanno il potenziale di alterare intere popolazioni e quindi interi ecosistemi. Potrebbero anche, in teoria, influire negativamente sulla salute umana facendo evolvere il parassita della malaria per essere più virulento o per essere trasportato da un altro ospite, afferma la biologa molecolare e bioetica Natalie Kofler. È la direttrice fondatrice del gruppo Editing Nature presso la Yale University di New Haven, Connecticut, che mira ad affrontare le tecnologie genetiche ambientali in tutto il mondo.
“Questa tecnologia ha il potenziale per essere immensamente potente e per cambiare il corso delle cose che potremmo non essere in grado di prevedere”.
Chi decide quando utilizzare un gene drive?
Per i test sui farmaci, un’azienda può iniziare a prepararsi per un test sul campo solo un anno o due prima. Le unità geniche richiederanno più tempo, afferma Okumu. L’anno scorso ha fatto parte di un gruppo di lavoro scientifico di 15 membri, organizzato dalla Foundation for the National Institutes of Health, che ha avanzato una serie di raccomandazioni12 per l’utilizzo delle zanzare a trasmissione genica nell’Africa subsahariana.
Il rapporto sottolinea che i governi, le comunità e gli scienziati locali avranno bisogno di tempo per assorbire la scienza e avere il potere di regolamentare la tecnologia.
“Lo dico con tutta convinzione: alla fine, le persone migliori per prendere queste decisioni sono i paesi stessi”, dice Okumu.
Nel 2017, Kofler ha riunito un gruppo di scienziati ed esperti di etica per affrontare le questioni sociali relative ai geni drive13.
“Le domande principali riguardano la giustizia”, afferma Kofler.
Nelle discussioni sul rilascio di un organismo geneticamente modificato in un ambiente africano, i gruppi che sono stati storicamente emarginati hanno il diritto di far parte del processo decisionale, dice. Okumu vuole che gli scienziati africani sviluppino e testino localmente la tecnologia del gene drive, il che richiederà rispetto e disponibilità da parte dei finanziatori per sostenere tali sforzi.
“La gente teme l’ignoto e l’ignoto in questo momento viene presentato da una prospettiva occidentale. Non vedo l’ora che arrivi un giorno in cui possiamo costruire questi costrutti nei nostri laboratori e in questo modo creare fiducia a livello locale”.
Nell’agosto 2018, l’Agenzia nazionale per la biosicurezza del Burkina Faso ha autorizzato Target Malaria a rilasciare un ceppo di zanzara maschio sterile geneticamente modificata, il primo del suo genere nel continente africano.
La scorsa settimana, il team ha rilasciato circa 6.400 zanzare che sono state modificate geneticamente ma non ospitano unità genetiche. Gli scienziati sperano che il rilascio migliorerà la percezione della ricerca e fornirà dati per i rilasci futuri.
E sebbene i topi a trasmissione genica siano lungi dall’essere pronti per il rilascio, GBIRd sta già lavorando con valutatori del rischio, esperti di etica ed ecologisti per identificare un’isola per una prima prova sul campo.
“Vogliamo essere sicuri di farlo bene”, dice Saah. “Non importa quanto velocemente si muovano le tecnologie, ora possiamo far progredire le scienze sociali e l’etica”.
Come funzionano i gene drive I geni drive utilizzano CRISPR per inserire e diffondere una modificazione genetica attraverso una popolazione a tassi di ereditarietà superiori al normale. I ricercatori intendono utilizzare le unità per sradicare le zanzare portatrici di malaria e altri parassiti. Una volta che un gene drive è stato ingegnerizzato nel genoma di un animale, la prole dell’animale erediterà il drive su un cromosoma e un gene normale dall’altro genitore. Durante lo sviluppo iniziale, la parte CRISPR dell’unità taglia l’altra copia. Il taglio viene quindi riparato utilizzando l’unità come modello, lasciando alla prole due copie della modifica.
Eredità standard
Ereditarietà genetica
Megan Scudellari è una giornalista scientifica a Boston, Massachusetts.
1. Windbichler, N. et al. Nature 473, 212–215 (2011). https://www.nature.com/articles/nature09937
2. Champer, J. et al. PLoS Genet. 13, e1006796 (2017). https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1006796
3. Hammond, A. M. et al. PLoS Genet. 13, e1007039 (2017). https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1007039
4. Kyrou, K. et al. Nature Biotechnol. 36, 1062–1066 (2018). https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30247490/
5. Grunwald, H. A. et al. Nature 566, 105–109 (2019). https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30675057/
6. Shapiro, R. S. et al. Nature Microbiol. 3, 73–82 (2018).
7. Buchman, A. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/645481 (2019). https://www.pnas.org/content/117/39/24377
8. DiCarlo, J. E., Chavez, A., Dietz, S. L., Esvelt, K. M. & Church, G. M. Nature Biotechnol. 33, 1250–1255 (2015). https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26571100/
9. Noble, C. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 116, 8275–8282 (2019). https://publications.scilifelab.se/journal/Proc%20Natl%20Acad%20Sci%20USA
10. Li, M. et al. Preprint at bioRxiv https://www.biorxiv.org/content/10.1101/645440v1 (2019).
11. North, A. R., Burt, A. & Godfray, H. C. J. BMC Biol. 17, 26 (2019). https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30922310/
12. James, S. et al. Am. J. Trop. Med. Hyg. 98 (Suppl. 6), 1–49 (2018).
13. Kofler, N. et al. Science 362, 527–529 (2018). https://science.sciencemag.org/content/362/6414/527.full
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