Screening CRISPR del genoma: l'antidoto contro i veleni più letali 

Condividiamo questo pianeta con circa 8,7 milioni di specie di piante e animali. In un ambiente così vario e popoloso, è naturale che si siano sviluppate relazioni anche complesse tra le diverse specie. Alcune sono reciprocamente vantaggiose, altre sono parassitarie e altre ancora sono letali.

Le tossine e i veleni che troviamo in natura sono composti biologicamente attivi prodotti dai normali processi metabolici di un organismo, ma dannosi per altri organismi. In genere, le tossine vengono assunte passivamente o ingerite e agiscono in modo specifico negli organismi colpiti, legandosi a una singola cellula. I veleni, invece, si introducono nell'organismo attraverso un meccanismo di diffusione specializzato. Sono spesso costituiti da un insieme di composti che vanno a colpire più cellule e tessuti (1). Sia le tossine che i veleni possono essere prodotti per motivi predatori, di difesa o di semplice vantaggio "competitivo" (1).

Sono moltissimi gli studi scientifici condotti per trovare antidoti e rimedi alle tossine e ai veleni più comuni. Questi antidoti, solitamente, agiscono alterando la cinetica del veleno all'interno delle cellule e dei tessuti colpiti, o bloccandone il legame con componenti specifici dell'apparato cellulare. Tuttavia, per sviluppare un antidoto efficace è necessario comprendere chiaramente il meccanismo d'azione del veleno e, purtroppo, per molte tossine e veleni questo è ancora sconosciuto.

La puntura della morte

Uno degli animali più letali al mondo è una medusa conosciuta come vespa di mare, Chironex fleckeri. Diffusa nella fascia costiera dei mari del nord dell'Australia e del Sudest asiatico, il contatto con i tentacoli di questa pericolosissima specie di medusa provoca un rapido rilascio del suo veleno, che porta la vittima a soffrire di un dolore particolarmente intenso a causa della distruzione locale dei tessuti. Circa 70 persone ogni anno muoiono a seguito di una puntura della vespa di mare, e il suo veleno può arrivare ad uccidere in meno di un minuto (2). Questo perché contiene una miscela di composti bioattivi particolarmente tossici, la cui composizione a livello molecolare, purtroppo, è ancora poco conosciuta.

Per comprendere le vie cellulari che contribuiscono alla citotossicità indotta dal veleno, Lau et al. hanno ideato un metodo basato sull'induzione di mutazioni geniche, utili a poter individuare i principali attori intracellulari coinvolti nel processo di citotossicità della vespa di mare (2). Utilizzando uno screening CRISPR su genoma (3), questo gruppo di ricercatori ha mutagenizzato una linea cellulare umana con una libreria di lentivirus che aveva come bersaglio 19.050 geni umani usando >100.000 sequenze diverse di RNA guida. Per ottenere cellule resistenti al veleno, il team di ricerca ha selezionato poi per 14 giorni i mutanti knockout con concentrazioni letali di veleno. Il sequenziamento delle cellule resistenti ha rivelato, infine, più geni associati alla resistenza al veleno, suggerendo che questo presenti diversi meccanismi d'azione.

Tuttavia, il dato più interessante si riconduce alla proteina ATPasi della membrana plasmatica che trasporta il Ca2+, ATP2B1. Ulteriori esperimenti hanno suggerito, infatti, che il veleno della vespa di mare agisca attraverso ATP2B1 per indurre la morte cellulare. Inoltre, il team ha studiato anche il ruolo del colesterolo e della sfingomielina nella citotossicità indotta dal veleno. Sulla base di questi risultati, i ricercatori hanno scoperto un antidoto al veleno in grado di funzionare fino a 15 minuti dopo l'esposizione al veleno.

Il veleno vien mangiando

Recentemente, un altro studio guidato dagli stessi ricercatori ha applicato il metodo di screening CRISPR per studiare la tossicità dell'Amanita falloide (Amanita phalloides), un fungo particolarmente pericoloso responsabile di oltre il 90% dei decessi per funghi (4). Il componente altamente tossico per l'uomo, l'α-amanitina, si ritiene che inibisca la RNA polimerasi II nelle cellule umane. Tuttavia, i meccanismi esatti della tossicità non sono del tutto noti. Utilizzando uno screening CRISPR a livello genomico, i ricercatori sono riusciti a identificare un componente della via di biosintesi dell'N-glicano, STT3B, necessario per la morte cellulare indotta dall'α-amanitina. Utilizzando uno screening farmacologico in silico e una validazione funzionale, i ricercatori hanno scoperto un inibitore di STT3B - il verde indocianina (ICG) - che potrebbe servire come potenziale antidoto.

È interessante notare come l'ICG sia un colorante ampiamente utilizzato in medicina per la diagnostica cardiaca, epatica e oftalmologica e il suo profilo di sicurezza sia noto, dato che venne originariamente sviluppato come colorante fotografico durante la Seconda Guerra Mondiale (5). In questo studio, l'ICG ha mostrato risultati promettenti in colture cellulari standard e in modelli di organoidi epatici. Nei topi, l'ICG ha bloccato la tossicità dell'α-amanitina quando è stata somministrata 4 ore dopo l'esposizione alla tossina, ma ha perso la sua efficacia tra le 8 e le 12 ore. Pertanto, l'ICG andrebbe somministrato il più presto possibile dopo l'ingestione della tossina.

Questi studi mostrano i vantaggi, dati dalla combinazione di studi in silico e uno screening CRISPR sul genoma, presenti nei processi di predizione e identificazione di farmaci che possano essere testati come antidoti. C'è chi sogna in questo modo di riuscire a trovare un antidoto universale per tutte le tossine naturali e i veleni esistenti. Per quanto questo sogna appaia ora irrealizzabile, questi studi possono aprire la strada a un ulteriore comprensione del funzionamento di questi particolari e letali tipi di veleno, offrendo la possibilità di sviluppare antidoti specifici e, si spera, sempre più efficaci.

 

Riferimenti:

1. Brodie III, E.D. (2009) Toxins and venoms. Curr. Biol. 19(20), R931–R935.
2. Lau, M.-T. et al. (2019) Molecular dissection of box jellyfish venom cytotoxicity highlights an effective venom antidote. Nat. Commun. 10, 1655.
3. Bock, C. et al. (2022) High-content CRISPR screening. Nat. Rev. 2, 8.
4. Wang, B. et al. (2023) Identification of indocyanine green as a STT3B inhibitor against mushroom α-amanitin cytotoxicity. Nat. Commun. 14, 2241.
5. Lu, C.-H. and Hsaio, J.-K. (2021) Indocyanine green: An old drug with novel applications. Tzu Chi Med. J. 33(4), 317–322.

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