I vettori virali: cosa sono ed il loro ruolo nella terapia genica

Quando i virus vengono geneticamente modificati per trasmettere ed esprimere determinati geni, sono chiamati vettori virali.

Sebbene esistano vari metodi, sia chimici che fisici, per trasmettere DNA, i vettori virali hanno un maggior efficienza. I virioni sono delle macchine estremamente efficienti nel trasferimento genico, in grado di interagire con specifici recettori sulla superficie cellulare, e di “consegnare” il DNA nel compartimento cellulare ottimale per la sua espressione e replicazione. Questa loro capacità conferisce ai vettori virali un enorme vantaggio rispetto agli altri metodi.

Uso dei vettori virali

Il genoma di diversi virus in grado di infettare cellule eucariotiche è stato, quindi, clonato e modificato usando plasmidi batterici, per poi essere reintrodotto nell’ospite naturale per produrre i virioni ricombinanti.

I vettori virali sono stati creati per quattro obiettivi principali:

Produzione di specifiche proteine in colture cellulari
Vaccinazione di animali ed esseri umani contro specifiche malattie
Terapia genica in animali o esseri umani, per sostituire geni non funzionanti
Agenti antitumorali per eliminare specifiche cellule tumorali

Per poter svolgere tutte queste funzioni furono creati numerosi vettori virali a partire da una grande varieta’ di virus diversi, i cui genomi possono essere sia ad RNA, singolo o doppio filamento, che a DNA, singolo o doppio filamento, con dimensioni da 5 a 200kb, in modo da essere ottimali per ogni scopo.

*Figura 1- Esempi vettori virali, e le loro varie applicazioni* *[Fonte: Fundamentals of Molecular Virology, 2nd edition, Acheson]*

Terapia genica e vaccini

Terapia genica e vaccini rappresentano i due usi più noti dei vettori virali. L’idea di poter ingegnerizzare i virus per trasportare geni esterni, detti transgeni, nasce a seguito di varie osservazioni fatte fra il 1950 ed il 1960, su come i virus siano in grado di trasmettere non solo il proprio materiale genetico alla cellula ospite, ma anche di integrarlo stabilmente all’interno del genoma ospite. Dal 1990 ci sono stati più di 1500 trial clinici inerenti alla terapia genica, principalmente usando vettori virali.

I geni possono essere trasferiti in vitro, infettando cellule isolate e poi reintroducendo quelle in grado di esprimere il nuovo gene nell’organismo ospite, oppure in vivo iniettando il vettore virale nell’ospite. Un punto importante da tenere in considerazione, che varia a seconda del tipo di terapia, è l’espressione genica: infatti per una terapia antitumorale o un vaccino, è sufficiente un’espressione alta ma temporanea del gene introdotto, mentre per altre terapie come quelle mirate a rimpiazzare geni non funzionanti, è necessario avere un’espressione che duri a lungo, idealmente per tutta la vita del paziente.

Produzione vettori virali per la terapia genica

Un vettore virale ideale per una terapia genica dovrebbe essere in grado di trasmettere il gene di interesse solo alle cellule target, e fare in modo che sia espresso in maniera sufficiente da avere un effetto terapeutico. Per poter fare questo ha bisogno delle seguenti caratteristiche:

Trasmissione efficiente e specifica del gene di interesse
Controllo dei livelli e della durata dell’espressione genica
Minima tossicita’ e/o reazione immunitaria sia alle componenti del vettore che al gene.

Una caratteristica fondamentale per la sicurezza dei vettori virali è l’incapacita’ di replicarsi, grazie alla delezione di geni virali chiave. Il vettore virale, come mostrato nella Figura 2, mantiene gli elementi necessari per la replicazione (ori) e l’impacchettamento, mentre i geni virali eliminati sono sostituiti con i geni necessari per il controllo dell’espressione del transgene.

*Figura 2- Costruzione e produzione di un vettore virale classico [Fonte: Fundamentals of Molecular Virology, 2nd edition, Acheson*]

I vettori virali vengono quindi propagati in una linea cellulare, che provvede a fornire tutti i componenti necessari alla replicazione normalmente forniti dal virus integro. A volte le cellule vengono co-infettate con un helper virus, che fornisce le proteine virali necessarie. La creazione di una linea cellulare efficiente per la produzione di vettori virali rimane spesso il gradino più ostico nella produzione di vettori.

Espressione del transgene

La cassetta d’espressione rappresenta uno degli elementi chiave di un vettore virale. Si tratta di una molecola di DNA ricombinante, contenente la sequenza per un’efficiente trascrizione del gene e la sua traduzione in RNA messaggero. Per ottenere cio’ viene incluso un enhancer trascrizionale ed un promotore, un’appropriata sequenza all’estremita’ 5′ dell’mRNA per un’efficiente traduzione, siti di splicing, ed il sito per la poliadenilazione.

Per i vettori virali ad RNA invece non è necessario avere questi accorgimenti, infatti vengono espressi come semplice RNA direttamente nel citoplasma.