Optimisation des procédures d'édition du génome
Des scientifiques parviennent à renforcer l'efficacité de CRISPR/Cas9 et des méthodes connexes et à modifier des séquences d'ADN initialement inaccessibles
En optimisant les procédures clés de l'édition du génome, les chercheurs du département de biologie du développement et de physiologie du Centre d'études des organismes de l'université de Heidelberg ont réussi à améliorer considérablement l'efficacité des méthodes de génétique moléculaire telles que CRISPR/Cas9 et les systèmes connexes, et à élargir leurs domaines d'application. En collaboration avec des collègues d'autres disciplines, les spécialistes des sciences de la vie ont affiné ces outils afin de permettre, entre autres, un dépistage génétique efficace pour la modélisation de mutations génétiques spécifiques. En outre, des séquences d'ADN initialement inaccessibles peuvent désormais être modifiées. Selon le professeur Joachim Wittbrodt, cela ouvre de nouveaux domaines de travail dans la recherche fondamentale et, potentiellement, dans les applications thérapeutiques.
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L'édition du génome consiste à modifier délibérément l'ADN à l'aide de méthodes de génétique moléculaire. Elle est utilisée pour la reproduction des plantes et des animaux, mais aussi dans la recherche fondamentale en médecine et en biologie. Les procédures les plus courantes comprennent les "ciseaux à gènes" CRISPR/Cas9 et ses variantes connues sous le nom d'éditeurs de bases. Dans les deux cas, des enzymes doivent être transportées dans le noyau de la cellule cible. À son arrivée, le système CRISPR/Cas9 coupe l'ADN à des endroits spécifiques, ce qui provoque une rupture du double brin. De nouveaux segments d'ADN peuvent alors être insérés à cet endroit. Les éditeurs de bases utilisent un mécanisme moléculaire similaire, mais ils ne coupent pas le double brin d'ADN. Au lieu de cela, une enzyme couplée à la protéine Cas9 effectue un échange ciblé de nucléotides - les éléments constitutifs de base du génome. Dans trois études successives, l'équipe du professeur Wittbrodt a réussi à améliorer considérablement l'efficacité et l'applicabilité de ces méthodes.
L'un des défis de l'utilisation de CRISPR/Cas9 consiste à acheminer efficacement les enzymes Cas9 nécessaires vers le noyau. La cellule dispose d'un mécanisme élaboré de "videur". Elle fait la distinction entre les protéines qui sont autorisées à transloquer dans le noyau et celles qui sont censées rester dans le cytoplasme", explique le Dr Tinatini Tavhelidse-Suck de l'équipe du professeur Wittbrodt. L'accès est ici permis par une étiquette composée de quelques acides aminés qui fonctionne comme un "ticket d'entrée". Les scientifiques ont maintenant mis au point une sorte de "ticket d'entrée VIP" généralement valable qui permet aux enzymes qui en sont équipées d'entrer très rapidement dans le noyau. Ils l'ont baptisé "high efficiency-tag", "hei-tag" en abrégé. "D'autres protéines qui doivent pénétrer dans le noyau cellulaire ont également plus de succès avec 'hei-tag'", conclut le Dr Thomas Thumberger, qui est également chercheur au Centre d'études des organismes (COS). En coopération avec des pharmacologues de l'université de Heidelberg, l'équipe a pu montrer que Cas9, associé au ticket "hei-tag", peut permettre des modifications ciblées et très efficaces du génome non seulement dans l'organisme modèle medaka, le poisson-riz japonais (Oryzias latipes), mais aussi dans des cultures de cellules de mammifères et des embryons de souris.
Dans une autre étude, les scientifiques de Heidelberg ont montré que les éditeurs de bases fonctionnent très efficacement dans l'organisme vivant et qu'ils sont même adaptés au dépistage génétique. Dans une expérience avec des poissons de riz japonais, ils ont pu montrer que ces modifications ciblées et limitées localement dans des blocs de construction individuels de l'ADN permettent d'obtenir un résultat qui n'est autrement obtenu que par la reproduction relativement laborieuse d'organismes dont les gènes ont été modifiés. L'équipe de recherche du COS, en coopération avec le Dr Jakob Gierten, cardiologue pédiatrique à l'hôpital universitaire de Heidelberg, s'est concentrée sur certaines mutations génétiques. Ces mutations étaient soupçonnées de déclencher des malformations cardiaques congénitales chez l'homme. En modifiant les éléments constitutifs de l'ADN des gènes concernés dans l'organisme modèle, les scientifiques ont pu imiter et étudier des embryons de poisson présentant les malformations cardiaques décrites. L'intervention ciblée a entraîné des changements visibles dans le cœur dès les premiers stades du développement embryonnaire du poisson, expliquent Bettina Welz et le Dr Alex Cornean, deux des premiers auteurs de l'étude de l'équipe du professeur Wittbrodt. Les chercheurs ont ainsi pu confirmer le soupçon initial et établir un lien de causalité entre l'altération génétique et les symptômes cliniques.
L'intervention précise dans le génome des embryons de poisson a été rendue possible grâce au logiciel ACEofBASEs, spécialement développé à cet effet et disponible en ligne. Il permet d'identifier les emplacements génétiques qui entraînent très efficacement les modifications souhaitées dans les gènes cibles et les protéines qui en résultent. Les scientifiques affirment que le riz japonais est un excellent organisme modèle génétique pour modéliser des mutations comme celles identifiées chez les patients concernés. "Notre méthode permet une analyse de dépistage efficace et pourrait donc offrir un point de départ pour le développement de traitements médicaux individualisés", selon Jakob Gierten.
Une troisième étude, toujours du groupe Wittbrodt, porte sur les limites des éditeurs de bases. Pour qu'un tel éditeur se lie à l'ADN d'une cellule cible, il faut qu'il y ait un certain motif de séquence. Il est appelé Protospacer Adjacent Motif, PAM en abrégé. "Si ce motif est absent à proximité du bloc de construction de l'ADN à modifier, il est impossible d'échanger des nucléotides", explique le Dr Thumberger. Une équipe sous sa direction a maintenant trouvé un moyen de contourner cette limitation. Elle utilise successivement deux éditeurs de bases dans une seule cellule. Dans une première étape, un nouveau motif de liaison à l'ADN pour un autre éditeur de bases est généré, sur lequel ce second éditeur, appliqué simultanément, peut éditer un site qui était inaccessible auparavant. Cette utilisation échelonnée s'est avérée très efficace, explique Kaisa Pakari, premier auteur de l'étude. Grâce à cette astuce, les scientifiques de Heidelberg ont pu augmenter de 65 % le nombre de sites d'application possibles des éditeurs de bases établis. Désormais, les séquences d'ADN qui étaient initialement inaccessibles peuvent également être modifiées.
"L'optimisation des outils existants pour l'édition du génome et leur application fine donnent lieu à des possibilités extrêmement variées pour la recherche fondamentale et, potentiellement, à de nouvelles approches thérapeutiques", souligne Joachim Wittbrodt.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
T. Thumberger, T. Tavhelidse-Suck, J. A. Gutierrez-Triana, A. Cornean, R. Medert, B. Welz, M. Freichel, J. Wittbrodt: Boosting targeted genome editing using the hei-tag. eLife (25 March 2022).
A. Cornean, J. Gierten, B. Welz, J. L. Mateo, T. Thumberger, J. Wittbrodt: Precise in vivo functional analysis of DNA variants with base editing using ACEofBASEs target prediction. eLife (4 April 2022).
K. Pakari, J. Wittbrodt, T. Thumberger: De novo PAM generation to reach initially inaccessible target sites for base editing. Development (23 January 2023).
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