Come vengono utilizzati i vari tipi di RNA per diverse applicazioni?
Riassunto:
- Gli RNA sono un gruppo di varie molecole che esistono ubiquitariamente in natura. Possono possedere diverse funzioni biologiche e possono essere utilizzate per diversi obiettivi terapeutici.
- La funzione dell’RNA è determinata dalla sua sequenza.
- I CRISPR sgRNA ed i vaccini ad mRNA sono costituiti da sequenze diverse e agiscono in modo diverso.
- Un CRISPR sgRNA si lega alla sua sequenza di genoma target e alla proteina Cas9 permettendo alla Cas9 di tagliare il DNA.
- I vaccini ad mRNA producono antigeni (antigene) impegnando il macchinario di produzione delle proteine.
Nel XXI secolo, la medicina ha rapidamente ampliato il suo repertorio terapeutico al di là delle proteine (per esempio anticorpi monoclonali (anticorpo monoclonale), citochine (citochina), interferoni) o delle piccole molecole (come l’aspirina, gli antistaminici (antistaminico), l’insulina) impiegando l’RNA in un’ampia gamma di applicazioni [1]. Gli RNA sono molecole naturali che svolgono funzioni essenziali in tutti gli organismi e gli scienziati ne traggono vantaggio in varie aree di ricerca e terapeutiche. Due di queste tecnologie sono state descritte precedentemente dal nostro team – vaccini basati su mRNA e il sistema CRISPR-Cas9 (articolo 1, articolo 2). Lo sviluppo non si è fermato alle due suddette applicazioni [1]. Infatti, ci sono molteplici altre applicazioni di RNA nel trattamento/prevenzione delle malattie. Il nostro team ha presentato le informazioni più rilevanti su queste due tecnologie discusse ma, proprio come l’intero campo della biologia molecolare, l’argomento può ancora confondere. Recentemente, il nostro team ha ricevuto domande sul potenziale dell’RNA nei vaccini mRNA di cambiare il genoma umano come fa l’RNA nel metodo CRISPR/Cas9. Lo scopo di questo articolo è di presentare un breve commento sulla diversità nel mondo dell’RNA e usare questa conoscenza per chiarire le preoccupazioni sollevate.
La maggior parte delle persone ha sentito parlare del DNA e ha un’idea approssimativa della sua funzione. DNA e RNA sono molecole simili, capaci di immagazzinare e propagare informazioni. Tuttavia, gli RNA sono un insieme ancora più vario di molecole con funzioni diverse [2]. Il gruppo più noto di RNA è l’RNA messaggero – mRNA (una copia modificata di un frammento di DNA) che fornisce informazioni su una futura proteina al macchinario di produzione cellulare, i ribosomi (ribosoma). È interessante notare che i ribosomi includono altri tipi di RNA – rRNA o RNA ribosomiale – che possiedono attività enzimatica [3]. Tali RNA sono chiamati ribozimi (ribozima = acido ribonucleico + enzimi) e partecipano alla produzione di proteine, alla biosintesi ed elaborazione dell’RNA e alla replicazione virale [4]. Un altro gruppo di RNA è quello che regola la produzione di macromolecole (macromolecola) o che combatte genomi virali [5]. Queste categorie sono molto diverse e possono essere ulteriormente suddivise in molteplici sottogruppi.
Può essere sorprendente per molte persone che gli RNA abbiano ruoli molto diversi in biologia. Per capirlo, usiamo un’analogia linguistica. C’è una quantità limitata di lettere (blocchi costitutivi) nelle nostre lingue, ma sono in grado di generare un insieme molto più ampio di parole. Anche lo stesso insieme di lettere può creare molte parole/frasi e significati diversi, come negli anagrammi (ad esempio “attore” e “teatro” o “bibliotecario” e “beato coi libri”). Lo stesso può essere applicato all’RNA. Tuttavia, l’ordine degli elementi costitutivi (sequenza) non è l’unico fattore importante – lo è anche la struttura 3D (tridimensionale). È importante notare che anche la struttura 3D é il risultato della sequenza di partenza; i blocchi costitutivi del DNA e dell’RNA sono chiamati nucleotidi (nucleotide), questi dopo la sintesi possono essere modificati per poi ripiegarsi in strutture 3D.
Un’introduzione così lunga ha lo scopo di essere usata per analizzare la preoccupazione riportata nel primo paragrafo. I vaccini ad mRNA usano molecole di mRNA per fornire l’istruzione necessaria per costruire un antigene specifico. Questa istruzione viene poi usata dalle nostre cellule per produrre l’antigene, che a sua volta avverte ed allena il nostro sistema immunitario contro un agente patogeno (per esempio SARS-CoV-2) [6]. L’mRNA deve contenere caratteristiche che permettano tale funzione, per esempio la sequenza dell’antigene Spike che verrà letta dal macchinario di produzione delle proteine. Altri elementi che sono inclusi sono essenziali per il legame del macchinario e la stabilità dell’mRNA stesso. L’mRNA dei vaccini non possiede altri elementi che permetterebbero attività di alterazione del genoma, né è in stretto contatto con il nostro genoma. Al contrario, il sgRNA usato nel sistema CRISPR/Cas9, contiene una sequenza per guidare la proteina Cas9 verso una sequenza di genoma bersaglio da modificare. È essenziale notare che, in questo contesto, è la proteina Cas9 a tagliare il DNA, non il sgRNA [7]. Per saperne di più sul sistema CRISPR/Cas9, leggi i nostri articoli precedenti (articolo 1, articolo 2).
In questo breve commento, si può apprezzare che gli RNA possono essere molto diversi. Da una quantità limitata di mattoni disponibili, la natura o gli scienziati generano moltitudini di molecole diverse con funzioni diverse. Mentre alcune attività possono sovrapporsi, c’è una forte differenza tra gli mRNA, come nei vaccini mRNA, e gli RNA della tecnologia CRISPR. Le applicazioni mediche dell’RNA sono tante quanti sono i tipi di RNA. La comprensione della biologia dell’RNA non è esplosa da un giorno all’altro nel 2020 con l’invenzione dei vaccini mRNA anti-SARS-CoV-2, ma è stata accumulata per quasi un secolo [8]. Questo porterà probabilmente all’espansione delle terapie basate sull’RNA in medicina. È quindi importante per i potenziali pazienti – noi – capire i concetti relativi alla biologia e alle tecnologie dell’RNA.
Referenze:
- Damase TR, Sukhovershin R, Boada C, Taraballi F, Pettigrew RI, Cooke JP. The Limitless Future of RNA Therapeutics. Front Bioeng Biotechnol. 2021;9:628137.
- Cech TR, Steitz JA. The noncoding RNA revolution-trashing old rules to forge new ones. Cell. 2014;157(1):77-94.
- Petrov AS, Gulen B, Norris AM, Kovacs NA, Bernier CR, Lanier KA, et al. History of the ribosome and the origin of translation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015;112(50):15396-401.
- Doherty EA, Doudna JA. Ribozyme structures and mechanisms. Annu Rev Biophys Biomol Struct. 2001;30:457-75.
- Kaikkonen MU, Lam MTY, Glass CK. Non-coding RNAs as regulators of gene expression and epigenetics. Cardiovasc Res. 2011;90(3):430-40.
- Vogel AB, Kanevsky I, Che Y, Swanson KA, Muik A, Vormehr M, et al. BNT162b vaccines protect rhesus macaques from SARS-CoV-2. Nature. 2021;592(7853):283-9.
- Adli M. The CRISPR tool kit for genome editing and beyond. Nat Commun. 2018;9(1):1911.
- Caspersson T, Schultz J (1939). “Pentose nucleotides in the cytoplasm of growing tissues”. Nature. 143 (3623): 602–03.