Un "ciseau à gènes" compact permet une édition efficace du génome
Un outil d'édition du génome beaucoup plus petit
CRISPR-Cas est largement utilisé dans la recherche et la médecine pour éditer, insérer, supprimer ou réguler les gènes dans les organismes. La TnpB est un ancêtre de ce fameux "ciseau à gènes", mais elle est beaucoup plus petite et donc plus facile à transporter dans les cellules. Grâce à l'ingénierie des protéines et aux algorithmes d'intelligence artificielle, les chercheurs de l'UZH ont amélioré les capacités de la TnpB pour rendre l'édition de l'ADN plus efficace et plus polyvalente, ouvrant ainsi la voie au traitement futur d'une anomalie génétique responsable de l'hypercholestérolémie.
Les systèmes CRISPR-Cas, qui se composent de protéines et d'ARN, ont été développés à l'origine comme un mécanisme de défense naturel des bactéries pour repousser les virus intrus. Au cours de la dernière décennie, la réingénierie de ces "ciseaux à gènes" a révolutionné le génie génétique dans les domaines de la science et de la médecine. Ces outils peuvent être programmés pour trouver un endroit spécifique de notre ADN et modifier l'information génétique de manière précise. Par exemple, une mutation de l'ADN causant une maladie peut être ramenée à son état sain.
Un outil d'édition du génome beaucoup plus petit
On a récemment découvert que les protéines Cas ont évolué à partir de protéines beaucoup plus petites, la TnpB étant le progéniteur de la Cas12. Étant donné que la grande taille des protéines Cas pose des problèmes lorsqu'il s'agit de les délivrer aux bonnes cellules de l'organisme, des études récentes ont tenté d'utiliser leurs progéniteurs évolutifs plus petits comme outil d'édition du génome. Le problème de ces petites alternatives est qu'elles fonctionnent moins efficacement.
Cet obstacle vient d'être surmonté par une équipe de recherche dirigée par Gerald Schwank, de l'Institut de pharmacologie et de toxicologie de l'Université de Zurich (UZH), en collaboration avec des collègues de l'ETH Zurich. "En modifiant la petite mais puissante protéine TnpB, nous avons pu concevoir une variante dont l'efficacité de modification de l'ADN a été multipliée par 4,4, ce qui la rend plus efficace en tant qu'outil d'édition de gènes", explique Gerald Schwank.
Les protéines TnpB sont présentes dans une grande variété de bactéries et d'archées. La TnpB étudiée par les chercheurs provient de la bactérie Deinococcus radiodurans. Ce microbe survit au froid, à la déshydratation, au vide et à l'acide, et il est l'un des organismes les plus résistants aux radiations que l'on connaisse. La protéine compacte TnpB s'est déjà révélée efficace pour l'édition du génome dans les cellules humaines, mais avec une faible efficacité et une capacité de ciblage limitée en raison de ses exigences en matière de reconnaissance lorsqu'elle se lie à l'ADN.
Une meilleure capacité de liaison et un plus large éventail de séquences cibles d'ADN
Les chercheurs ont donc optimisé la TnpB pour qu'elle édite l'ADN des cellules de mammifères plus efficacement que la protéine originale. "L'astuce consistait à modifier l'outil de deux manières : premièrement, pour qu'il se rende plus efficacement dans le noyau, où se trouve l'ADN génomique, et deuxièmement, pour qu'il cible également des séquences génomiques alternatives", explique Kim Marquart, doctorant dans le laboratoire de Gerald Schwank et premier auteur de l'étude.
Afin d'identifier les caractéristiques des séquences d'ADN des sites cibles qui déterminent l'efficacité de l'édition du génome, les chercheurs ont testé la TnpB sur 10 211 sites cibles différents. En collaboration avec l'équipe de Michael Krauthammer, également professeur à l'UZH, ils ont développé un nouveau modèle d'intelligence artificielle capable de prédire l'efficacité de l'édition de la TnpB sur un site cible donné. "Notre modèle peut prédire l'efficacité de la TnpB dans différents scénarios, ce qui facilite et accélère la conception d'expériences d'édition de gènes réussies. En utilisant ces prédictions, nous avons atteint une efficacité de 75,3 % dans le foie de souris et de 65,9 % dans le cerveau de souris", ajoute M. Marquart.
Thérapie par édition de gènes d'une anomalie génétique responsable de l'hypercholestérolémie
"Pour les expériences animales, nous avons pu utiliser des vecteurs viraux adéno-associés cliniquement viables pour transporter efficacement les outils dans les cellules de souris. En raison de sa petite taille, le système d'édition de gènes TnpB peut être emballé dans une seule particule virale", explique M. Marquart. En revanche, les composants de CRISPR-Cas9 doivent être emballés dans plusieurs particules de virus, ce qui signifie que des doses plus élevées de vecteur doivent être appliquées.
Dans le cadre du projet actuel, les chercheurs ont étudié si l'outil TnpB pouvait être utilisé pour traiter les patients atteints d'hypercholestérolémie familiale. Cette maladie génétique entraîne une hypercholestérolémie sévère tout au long de la vie et touche environ 31 millions de personnes dans le monde. Elle accroît le risque de maladie cardiovasculaire athérosclérotique précoce. "Nous avons pu modifier un gène qui régule le taux de cholestérol, ce qui a permis de réduire de près de 80 % le taux de cholestérol chez les souris traitées. L'objectif est de développer des stratégies d'édition de gènes similaires chez l'homme afin de traiter les patients souffrant d'hypercholestérolémie", déclare Gerald Schwank.
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
Kim Fabiano Marquart, Nicolas Mathis, Amina Mollaysa, Saphira Müller, Lucas Kissling, Tanja Rothgangl, Lukas Schmidheini, Péter István Kulcsár, Ahmed Allam, Masako M. Kaufmann, Mai Matsushita, Tatjana Haenggi, Toni Cathomen, Manfred Kopf, Michael Krauthammer, Gerald Schwank; "Effective genome editing with an enhanced ISDra2 TnpB system and deep learning-predicted ωRNAs"; Nature Methods, 2024-9-23
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