Ricercatori ottengono col gene-editing l'inversione della resistenza genica della mosca della frutta ad alcuni insetticidi

Alcuni ricercatori hanno sostituito l'allele di un gene codificante la suscettibilità degli insetti ad alcuni insetticidi, con un diverso allele portatore di una maggiore suscettibilità.
Tale applicazione biotecnologica di recente scoperta potrà permettere di ridurre l'uso di antiparassitari, o anche di combattere malattie trasmesse dagli insetti, come la malaria.

Negli ultimi decenni molti insetti parassiti delle coltivazioni si sono adattati geneticamente e sono divenuti meno sensibili alla potenza degli insetticidi; lo stesso problema riguarda gli insetti parassiti dell'uomo e degli animali e le zanzare vettrici della malaria, ma sarà ora possibile invertire questa tendenza, negativa per le necessità delle popolazioni umane.

I biologi dell'Università della California di San Diego, utilizzando la tecnologia di editing genetico nota come 'Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats' (CRISPR)/Cas9, associata a un gene driver, hanno eliminato la resistenza agli insetticidi, in una popolazione d'insetti parassiti, ripristinando l'originaria sensibilità degli insetti.
Come descritto in un articolo pubblicato su Nature Communications, i ricercatori Bhagyashree Kaduskar, Raja Kushwah, il professor Ethan Bier, del Tata Institute for Genetics and Society (TIGS) e i loro colleghi hanno, in tal modo, sostituito un gene resistente agli insetticidi nei moscerini della frutta, con la normale forma sensibile, ottenendo un risultato che potrebbe ridurre significativamente la quantità di insetticidi necessari per ridurre i danni prodotti da questo insetto.

In tal caso un dato allele, codificante la prescelta espressione genica di suscettibilità all'insetticida, presente in solo uno di due cromosomi omologhi di un corredo diploide, viene introdotto anche nell'altro cromosoma (portatore di una differente espressione dello stesso gene, es. resistenza), sostituendo l'allele preesistente, tramite la proteina Cas9.
Dopo la modifica entrambi gli alleli, situati sui due cromosomi omologhi, codificano quindi la suscettibilità all'insetticida. Tale specifica espressione del detto gene si troverà cioè allo stato omozigote, condizione necessaria per la stabile manifestazione esteriore del carattere prescelto.
Successivamente il gene-drive induce un vantaggio selettivo al genoma portatore della detta modifica genica, facendo in maniera che si diffonda preferenzialmente e quindi rapidamente nella popolazione d'insetti, oggetto dell'esperimento.

Ripetendo quanto sopra da una differente prospettiva si può dire, per maggior chiarezza, che la modifica si verifica quando un genitore trasmette alla prole il suo patrimonio genetico. In tale circostanza la proteina Cas9 taglia il cromosoma omologo (proveniente dall'altro genitore) e sostituisce l'informazione genetica (un allele) con quella presente nell'allele del cromosoma proveniente dall'altro genitore, che come detto sopra si ritrova quindi ad essere allo stato omozigote. Il gene drive farà il resto, conferendo un vantaggio selettivo agli insetti portatori di tale mutazione e tutta la progenie sarà quindi omozigote per quel carattere.

Tale strategia, che i ricercatori definiscono di 'unità allelica', modifica in questo caso l'espressione genica della capacità dell'insetticida di legarsi a una proteina di membrana dell'insetto, nota come canale del sodio voltaggio-dipendente (VGSC), che è il bersaglio di una classe di insetticidi ampiamente utilizzata che, inattivando la detta proteina, determinandone la morte dell'insetto. La resistenza a questi insetticidi, come evidenziano i ricercatori, è chiamata resistenza al knockdown, o 'kdr' e deriva da mutazioni nel gene vgsc, che non consentono più all'insetticida di legarsi al suo bersaglio proteico VGSC.
Gli autori di questa ricerca hanno quindi sostituito l'allele mutato, che aveva introdotto la resistenza agli insetticidi, con quello originariamente presente in natura, permettendo all'insetticida di tornare a legarsi alla detta proteina di membrana e bloccare l'attività dei canali del sodio.
Tale modifica, di generazione in generazione, si è poi diffusa nell'intera popolazione d'insetti utilizzata per l'esperimento.

A livello di entità del risultato conseguito viene quindi evidenziato che da una popolazione composta per l'83% da insetti dotati di alleli kdr (resistenti) e per il 17% da alleli normali (sensibili agli insetticidi), l'utilizzo del detto 'sistema di guida allelica' ha permesso, in 10 generazioni, d'invertire tale rapporto al 13% di resistente e all'87% di tipo selvatico.
Bier osserva anche che gli adattamenti che conferiscono resistenza agli insetticidi hanno un costo evolutivo, rendendo quegli insetti meno adatti a sopravvivere. Pertanto, l'associazione del gene drive che provoca un vantaggio selettivo della variante genetica di tipo selvaggio si traduce in un sistema altamente efficiente e cooperativo, egli afferma.

Simili sistemi di guida allelica potrebbero essere sviluppati in altri insetti, comprese le zanzare. Questo studio mostra, quindi anche, le ampie opportunità offerte dal gene-editing nel controllo di parassiti e insetti vettori di malattie. Esso potrebbe essere utilizzato in combinazione con altre strategie per migliorare l'utilizzo degli insetticidi, o anche per ridurre le zanzare che diffondono la malaria.

Come ha affermato Bier: 'Attraverso queste strategie di sostituzione allelica, dovrebbe essere possibile ottenere lo stesso grado di controllo dei parassiti con un'applicazione molto inferiore di insetticidi. Dovrebbe anche essere possibile progettare versioni auto-eliminanti di alleli che sono programmate per agire solo transitoriamente in una popolazione, per aumentare la frequenza relativa di un allele desiderato e quindi scomparire. Tali unità alleliche ad azione locale potrebbero essere riapplicate, se necessario, per aumentare l'abbondanza di un tratto preferito presente in natura con l'endpoint finale che non è rimasto OGM nell'ambiente'.

Il riferimento dell'autore al fatto che le versioni auto-eliminanti di alleli 'progettate' sono programmate per agire solo transitoriamente, in una popolazione circoscritta e quindi locale indica indirettamente il fatto che una non idonea progettazione di questo tipo d'interventi può avere conseguenze più estese e quindi sgradite, nel senso che, come paventano gli oppositori di questa tecnologia, è teoricamente possibile che tale meccanismo di sostituzione genica preferenziale, se mal gestita, possa portare all'estinzione di un'intera specie animale (o vegetale), attraverso la segregazione di una mutazione dannosa .

Craig Montell (UC Santa Barbara), coautore di questo studio, ha prospettato ulteriori sviluppi applicativi della lotta alla resistenza agli insetticidi, con effetti ancor più positivi sulla tutela dell'ambiente di vita umano: 'Un'eccitante possibilità è utilizzare le unità alleliche per introdurre nuove versioni del VGSC che sono ancora più sensibili agli insetticidi rispetto ai VGSC di tipo selvaggio', ha suggerito. 'Ciò potrebbe potenzialmente consentire l'introduzione nell'ambiente di livelli ancora più bassi di insetticidi per controllare i parassiti e i vettori di malattie'.

Altri autori dei questo studio sono stati: Bhagyashree Kaduskar (UC San Diego e Tata Institute for Genetics and Society), Raja Babu Singh Kushwah (UC San Diego e Tata Institute for Genetics and Society), Ankush Auradkar (UC San Diego), Annabel Guichard (UC San Diego e Tata Institute for Genetics and Society), Menglin Li (UC Santa Barbara), Jared Bennett (UC Berkeley), Alison Henrique Ferreira Julio, John Marshall (UC Berkeley), Craig Montell (UC Santa Barbara) e Ethan Bier (UC San Diego e Tata Institute for Genetics and Society).