Gli scienziati compilano i quaderni di laboratorio. I giornalisti vecchio stampo si affidano all’inseparabile taccuino. E ora anche le cellule possono tenere il loro diario di bordo, in cui annotare gli eventi importanti come divisioni e migrazioni. Il mezzo è il DNA, il messaggio sono le mutazioni indotte e la penna per scrivere è il sistema CRISPR. In pratica la tecnica nata per correggere i refusi genetici può essere riconvertita in una piattaforma di tracciamento, con cui ricostruire tappa dopo tappa la storia delle cellule coinvolte in fenomeni complessi come la formazione delle metastasi tumorali o lo sviluppo embrionale.

Un tempo i ricercatori pedinavano le cellule marcandole con i coloranti e deducevano le loro relazioni di parentela dalle somiglianze e dalle differenze causate dalle mutazioni naturali nei loro genomi. Ma così facendo non si riesce ad andare molto indietro nel tempo, i dati su cui fare affidamento sono troppo pochi rispetto al gran numero dei possibili destini cellulari. Si pensi che ogni essere umano inizia la propria vita come un’unica cellula che si divide ripetutamente fino a formarne miliardi, e ricostruire le loro storie è la grande sfida della biologia dello sviluppo. Nell’era di CRISPR, per fortuna, se le mutazioni naturali non bastano a scandire il tempo biologico, si può rimediare. Basta predisporre un meccanismo che generi intenzionalmente una mutazione riconoscibile, trasmessa da una generazione all’altra con la divisione cellulare. Ha fatto così Jonathan Weissman del Whitehead Institute, insieme a colleghi di diverse università americane, per rispondere a domande come queste: quanto spesso metastatizzano i tumori? Da dove arrivano le metastasi? Dove vanno?  

Nell’esperimento descritto nell’ultimo numero di Science i ricercatori hanno usato delle cellule tumorali umane modificate per portarsi dietro un kit speciale: l’enzima chiave di CRISPR (Cas9), dieci sequenze bersaglio, le istruzioni molecolari per individuare queste ultime e un enzima per facilitare l’osservazione al microscopio (luciferasi). Insomma i ricercatori hanno fornito a ogni cellula la penna per scrivere, gli spazi da annotare, i segnalibri e l’evidenziatore. Poi hanno iniettato queste cellule nei topi, utilizzandoli come modello per il cancro polmonare, un tumore capace di generare metastasi aggressive. Quando le cellule hanno iniziato a dividersi, CRISPR ha inciso i siti bersaglio e le lesioni sono state saldate dai meccanismi naturali di riparazione cellulare nel modo consueto, lasciando poche lettere in più o in meno.

Queste mutazioni rappresentano la testimonianza dell’avvenuta divisione e rimangono nel genoma come le confessioni in un diario. Leggendole è possibile capire dinamiche e rotte delle metastasi, seguendo la progressione del cancro per mesi e in tempo reale. Ogni cellula figlia, infatti, erediterà i segni della cellula madre e ne accumulerà di nuovi nelle successive divisioni, cosicché confrontando i diari delle diverse cellule è possibile ricostruire le loro relazioni. Con l’aiuto di un algoritmo le cellule possono essere ordinate in un albero filogenetico, simile a quelli usati dai biologi per studiare l’evoluzione delle specie. Mettendo insieme questi dati, Weissman e colleghi hanno concluso che le cellule tumorali, pur appartenendo alla stessa linea cellulare, evolvono un potenziale metastatico diverso durante la coltivazione in vitro, perché esprimono diversamente molti geni. Spegnendo o sovra-attivando questi geni (ad esempio quello per la cheratina 17) si modifica, dunque, l’invasività dei tumori. Le rappresentazioni grafiche dell’immagine di apertura rappresentano “alberi” più o meno colorati, perché si riferiscono a tumori più o meno aggressivi (ogni colore indica una diversa localizzazione nel corpo). Inoltre i ricercatori hanno scoperto che le metastasi possono muoversi a salti da un distretto corporeo all’altro, usando come stazione intermedia il tessuto linfatico mediastinale situato tra i polmoni. Concentrare le terapie su questi “hub” potrebbe rivelarsi una buona strategia. E chissà che in futuro non si riesca a passare, come spera Weissman, dall’osservazione del comportamento cellulare alla sua previsione.     

A novembre, in un lavoro pubblicato su Science, un analogo approccio di tracciamento cellulare basato su CRISPR ha fatto luce sulle dinamiche cellulari che danneggiano lo sviluppo del cervello in caso di microcefalia. Ma il primo grande exploit in questo campo lo aveva fatto sulla stessa rivista George Church nel 2018, fornendo a CRISPR un set di 60 sequenze bersaglio, abbastanza da poter catalogare i dieci miliardi di cellule che compongono il corpo di un topo adulto. Ricostruendo in questo modo i destini cellulari durante l’embriogenesi, il gruppo diretto dal genetista di Harvard ha capito, tra le altre cose, che l’asse di simmetria destra-sinistra del cervello si forma dopo rispetto all’asse fronte-retro. Secondo Church varrebbe la pena di mettere alla prova sui neuroni una strategia simile, con l’obiettivo di registrare in modo permanente le attività transienti su cui si basa la formazione dei ricordi.

La versatilità di CRISPR consentirà certamente soluzioni creative. Anziché dotare le cellule di un set di sequenze bersaglio da utilizzare come altrettanti siti per le annotazioni, ad esempio, si potrebbe fornire un sistema self-targeting, capace di auto-editarsi e dunque di funzionare come una pagina di word che incorpora annotazioni successive.