Modifier précisément les gènes avec des blocs de lego

L'ADN est l'élément central de la vie telle que nous la connaissons. On peut l'imaginer comme un long double brin hélicoïdal, composé de séquences d'informations écrites avec quatre "lettres" chimiques appelées nucléotides. Des séquences de lettres spécifiques délimitent des portions d'ADN appelées gènes, qui sont utilisés par la cellule comme références pour décoder l'information contenue dans l'ADN lui-même. La modification génétique, précisément l'acte moléculaire de modifier ces séquences d'ADN, a le potentiel de révolutionner le domaine de la médecine personnalisée. De nombreux problèmes de santé complexes comme la sclérose latérale amyotrophique, l'obésité et la maladie d'Alzheimer ont une composante génétique. La possibilité de corriger ces anomalies pourrait grandement améliorer la qualité de vie de nombreux patients et constituer un nouveau modèle de traitement, qui se ferait en une seule fois plutôt que d’avoir des prescriptions de médicaments à vie.

La modification du génome commence généralement par la création d'une rupture dans le brin d'ADN. Une fois que le brin est cassé, il peut alors être réparé par les mécanismes cellulaires au moyen de deux processus principaux appelés jonction d'extrémités non-homologues (NHEJ) et réparation dirigée par homologie (HDR). Dans la majorité des cas, la NHEJ est utilisée par la cellule pour réparer les cassures. Dans la NHEJ, les brins sont rattachés par tous les moyens possibles en ajoutant et en soustrayant des fragments d'ADN jusqu'à ce qu'une correspondance soit faite. Comme il s’agit d’un mécanisme d'essai et d'erreur, la NHEJ peut modifier la séquence originale parce qu'elle cause de nouvelles mutations indésirables dans le génome. Ces mutations indésirables peuvent mener à toutes sortes de défis pour l'environnement cellulaire, conduisant dans certains cas à la formation de maladies (par exemple, le cancer).

Le second mécanisme de réparation, la HDR, utilise un fragment précis d'ADN comme colle moléculaire pour lier les brins cassés entre eux et agir comme un modèle pour corriger (ou modifier avec précision dans le cas de la modification de gènes) le génome avec la séquence désirée. Ce processus est souvent appelé chirurgie du génome. La possibilité de favoriser la HDR au détriment de la NHEJ a des implications majeures pour l'adoption de thérapies d'édition du génome en clinique.

Les progrès techniques récents dans le domaine de la modification du génome utilisent une technique révolutionnaire appelée CRISPR-Cas9. Dans ce système, deux composants sont nécessaires pour l'édition: un seul brin d'ARN appelé "ARN guide court" (ARNsg) utilisé pour trouver le gène à modifier dans la séquence d'ADN et un composant protéique, Cas9, qui fonctionne comme une paire de ciseaux moléculaires. Afin de favoriser la chirurgie du génome, un brin d'ADN donneur, qui sera utilisé comme modèle pendant la HDR, doit également être présent. Alors que les deux composantes du CRISPR (Cas9 et ARNsg) peuvent être combinées pour former un complexe plus grand à l'extérieur de la cellule, le brin d'ADN donneur/modèle doit être transporté indépendamment dans la cellule et localisé à l’endroit de la cassure.

Afin de favoriser une chirurgie précise du génome (HDR), nous avons pensé qu'il pourrait être avantageux de créer un système où nous pourrions attacher la machinerie d'édition du génome (Cas9 et ARNsg) avec l'ADN donneur, comme un ensemble de Legos. Ainsi, tout le matériel nécessaire à l'édition du gène serait introduit simultanément dans la cellule et localisé sur le gène à éditer.

Pour construire cet ensemble de Legos, nous avons d'abord modifié le composant ARNsg de la machinerie CRISPR. Cette modification nous a permis d'incorporer une deuxième protéine, la streptavidine, et de former un complexe plus grand pouvant servir de bloc de construction central. Nous avons choisi la streptavidine, car cette protéine est capable de se lier à une molécule appelée biotine (également connue sous le nom de vitamine B7). La biotine peut être fixée sur de nombreuses molécules biologiques différentes comme l'ADN, d'autres protéines ou des marqueurs fluorescents. Grâce aux propriétés de la streptavidine et de la biotine, nous pouvons coupler un complexe de cas9-streptavidine avec n'importe quelle molécule "biotinylée" et construire un système d'édition de gènes plus grand, en incorporant des composants au besoin.

Dans ces expériences, nous avons attaché une molécule de biotine à l'ADN modèle pour l'attacher directement à la machinerie d'édition du génome. Après l'introduction de ce complexe dans les cellules, nous avons constaté que la proportion de chirurgies précises du génome avait été augmentée en moyenne de 10 fois par rapport aux modifications imprécises , inversant ainsi l'équilibre entre ces deux processus. Nous avons également attaché des marqueurs fluorescents au complexe, ce qui a permis de sélectionner, au sein d’une population, les cellules dans lesquelles la modification a réussi.

En résumé, nous avons été en mesure de créer un outil similaire à des Legos, dans lequel différents composants peuvent être attachés à la machinerie d'édition du génome afin de permettre une chirurgie précise du génome. Avec des développements ultérieurs, cet outil pourrait nous aider à surmonter certains des obstacles à l'introduction des techniques de modification du génome dans le domaine clinique et mener à un panel de nouvelles thérapies.

Traduit par TranslationBunny, Bunny Inc.