Applicazione del gene editing per migliorare la qualità nutrizionale della bacca di pomodoro

This revolutionary genetic editing technique has been developed for less than a decade and has already found wide applications in animal and plant studies. Among the various techniques developed, the programmable nuclease CRISPR/Cas9, used for the first time on plant cells in 2013, is the widely applied, and it is characterized by a level of precision unprecedented in the history of genetic engineering. CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) is an acronym that indicates a short sequence of RNA (Ribonucleic Acid) built in the laboratory and programmed to identify a precise region of the genome so that to guide the enzyme Cas9, a "biological scissors" able to cut DNA in the region chosen by the researcher. The repair process can take place through (i) "non-homologous end-joining", which is highly likely to introduce differences and errors with respect to the DNA sequence before the break and, as a result, to alter the functionality of a gene; (ii) ¿homologous recombination", which requires the presence of a DNA molecule template that can be supplied also externally. In this case it allows to insert new genetic information in the genome. The CRISPR/Cas9 technique is currently the subject of strong attention by numerous research groups in view of the potentiality of improving basic knowledge of cell development processes and its possible applications in many sectors related to the sciences of life, ranging from agriculture, industrial biotechnology to the medicine field. In the final report, after a careful analysis of the literature concerning the description of the potential of the gene editing technique and some of its applications in the plants, it has been analyzed a paper recently published by Lu et al. (Front. Plant Sci., 26 April 2018 | https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00559), in which the CRISPR/Cas9 technique was used to increase the content of lycopene in tomato berries (Lycopersicum esculentum L.). Lycopene is a carotenoid synthesized during berry maturation and is considered a bioactive component for treating chronic diseases and reducing the risk of cancer and cardiovascular diseases. In this work, four genes that play a key role in the metabolism of carotenoids have been deactivated with CRISPR-Cas9, with the aim of defining their role and stimulating an increase in the content of lycopene in the fruit. In some of the edited plants it was observed an increase up to 5-fold in carotenoid content and mutations induced in the target genes were inherited in their progeny. Furthermore, no mutations defined as 'off-target' have been reported, that is in different genome sequences than the ones targeted.

La rivoluzionaria tecnica di editing genetico è stata messa a punto da meno di un decennio ed ha già trovato ampie applicazioni sia in campo animale che vegetale. Tra le varie tecniche sviluppate la nucleasi programmabile CRISPR/Cas9, utilizzata per la prima volta su cellule vegetali nel 2013, è la più moderna ed è caratterizzata da un livello di precisione che non ha precedenti nella storia dell'ingegneria genetica. CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) è un acronimo che indica una breve sequenza di RNA (acido ribonucleico) costruita in laboratorio e programmata per individuare una regione precisa del genoma e guidarvi l' enzima Cas9, cioè una ¿forbice biologica¿ capace di tagliare il DNA nella regione scelta dal ricercatore. Il processo di riparazione può avvenire mediante (i) ¿saldatura delle estremità non omologhe¿ (nonhomologous end-joining), che ha elevate probabilità di introdurre differenze ed errori rispetto alla sequenza del DNA prima della rottura e, di conseguenza, alterare la funzionalità di un gene; (ii) ricombinazione omologa¿ (homologous recombination), che per effettuare la riparazione richiede la presenza di una molecola di DNA stampo che può essere anche fornita esternamente ed in questo caso consentire di inserire nuova informazione genetica nel genoma. La tecnica CRISPR-Cas9 è allo stato attuale oggetto di forte attenzione da parte di numerosi gruppi di ricerca in vista delle potenzialità in termini sia di miglioramento delle conoscenze di base dei processi di sviluppo cellulare che delle possibili applicazioni ad una serie di settori legati alle scienze della vita, che spaziano dall'agricoltura, alla biotecnologia industriale sino all'ambito medico. Nella relazione finale, dopo un'attenta analisi della letteratura relativa alla descrizione delle potenzialità della tecnica di gene editing e di alcune sue applicazioni in campo vegetale, è stato approfondito lo studio di un lavoro recentemente pubblicato da Lu et al. (Front. Plant Sci., 26 April 2018 | https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00559), in cui la tecnica di CRISPR/Cas9 è stata utilizzata per incrementare il contenuto di licopene in bacche di pomodoro (Lycopersicum esculentum L.). Il licopene è un carotenoide sintetizzato durante la maturazione della bacca ed è considerato un componente bioattivo per il trattamento di malattie croniche e la riduzione del rischio di cancro e di malattie cardiovascolari. Nel lavoro, mediante applicazione di CRISPR-Cas9 sono stati disattivati 4 geni che svolgono un ruolo chiave nel metabolismo dei carotenoidi, con l'obiettivo sia di definirne il ruolo, sia di stimolare un incremento nel contenuto di licopene nel frutto. In alcune delle piante editate è stato osservato un incremento sino a 5 volte nel contenuto del carotenoide e le mutazioni indotte nei geni bersaglio sono state ereditate in modo stabile nelle loro progenie. Inoltre, non sono state evidenziate mutazioni definite 'off-target', vale a dire in sequenze del genoma diverse rispetto a quelle target.