Gene editing mediante CRISPR-Cas9 di cellule staminali ematopoietiche di pazienti affetti da atassia di Friedreich, una malattia mitocondriale neurodegenerativa

Friedreich’s ataxia (FRDA) is an autosomal recessive genetic disorder characterized by progressive neurodegeneration and multisystem involvement. Its pathogenesis is primarily caused by the expansion of GAA repeats within intron 1 of the FXN gene, leading to reduced expression levels of frataxin, a protein essential for mitochondrial function, involved in the biogenesis of respiratory chain Fe-S clusters and in the maintenance of the cellular redox state. Currently, no curative therapies are available; however, given the monogenic origin of the disease, the development of strategies aimed at correcting the molecular defect represents a particularly promising therapeutic approach. In this context, gene editing techniques based on the CRISPR-Cas9 system offer clinically relevant perspectives, as they hold the potential to remove the pathological expansion and restore physiological levels of frataxin. The research group led by Stephanie Cherqui (UCSD) previously demonstrated, in the YG8R mouse model, that transplantation of wild-type hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) was able to prevent neurodegeneration and motor symptoms through the transfer of frataxin from HSPC-derived macrophages to neurons and myocytes. Nevertheless, allogeneic transplantation carries significant immunological risks. To overcome these limitations, the same group developed an autologous HSPC transplantation strategy, genetically corrected by CRISPR-Cas9, aimed at removing the GAA expansion in CD34+ cells from patients. The results, reported in the article analyzed in this thesis, show restoration of physiological frataxin levels, improvement of mitochondrial activity, and preservation of hematopoietic capacity both in vitro and in vivo, thereby laying the groundwork for the future clinical application of this ex vivo gene therapy.

L’atassia di Friedreich (FRDA) è una malattia genetica a trasmissione autosomica recessiva caratterizzata da neurodegenerazione progressiva e coinvolgimento multisistemico. La patogenesi è causata principalmente dall’espansione di ripetizioni GAA nell’introne 1 del gene FXN, con conseguente riduzione dei livelli di espressione della fratassina, proteina fondamentale per la funzione mitocondriale, coinvolta nella generazione dei centri Fe-S della catena respiratoria e nel mantenimento dello stato redox cellulare. Attualmente non sono disponibili terapie risolutive; tuttavia, considerando l’origine monogenica della patologia, lo sviluppo di strategie mirate a correggere l’anomalia molecolare rappresenta un approccio terapeutico particolarmente promettente. In questo contesto, le tecniche di gene editing basate sul sistema CRISPR-Cas9 offrono una prospettiva rilevante dal punto di vista clinico, in quanto potenzialmente in grado di rimuovere l’espansione patologica e ripristinare i livelli fisiologici di fratassina. Il gruppo di ricerca guidato da Stephanie Cherqui (UCSD) ha precedentemente dimostrato, in un modello murino YG8R, che il trapianto di cellule staminali e progenitrici ematopoietiche (HSPC) wild-type è in grado di prevenire neurodegenerazione e sintomi motori attraverso il trasferimento di fratassina da macrofagi derivati dalle HSPC a neuroni e miociti. Ciononostante, il trapianto allogenico comporta rischi immunologici significativi. Per superare tali limiti lo stesso gruppo ha sviluppato una strategia di trapianto autologo di HSPC, corrette geneticamente mediante CRISPR- Cas9, mirata alla rimozione dell’espansione GAA in cellule CD34+ di pazienti. I risultati, riportati nell’articolo analizzato in questo elaborato di laurea, mostrano il ripristino dei livelli fisiologici di fratassina, il miglioramento dell’attività mitocondriale e il mantenimento della capacità ematopoietica in vitro e in vivo, ponendo le basi per la futura applicazione clinica di questa terapia genica ex vivo.