La thérapie génique qui modifie les gènes de l’hémoglobine peut être une réponse à la guérison de la drépanocytose (SCD) et de la bêta-thalassémie. Ces deux anémies mortelles communes affectent des millions de personnes à travers le monde. Des scientifiques du St. Jude Children’s Research Hospital et du Broad Institute du MIT et de Harvard ont utilisé une technologie d’édition du génome de nouvelle génération, l’édition de la base d’adénosine, pour relancer l’expression de l’hémoglobine fœtale dans les cellules de patients atteints de SCD. L’approche a augmenté l’expression de l’hémoglobine fœtale à des niveaux plus élevés, plus stables et plus uniformes que les autres technologies d’édition du génome qui utilisent la nucléase CRISPR/Cas9 dans les cellules souches hématopoïétiques humaines. Les résultats ont été publiés aujourd’hui dans Génétique naturelle.
La drépanocytose et la bêta-thalassémie sont des troubles sanguins affectant des millions de personnes ; des mutations dans le gène qui code pour une version adulte de la molécule porteuse d’oxygène, l’hémoglobine, provoquent ces troubles. La restauration de l’expression génique d’une sous-unité alternative d’hémoglobine active dans un fœtus en développement a déjà montré un bénéfice thérapeutique chez les patients atteints de SCD et de bêta-thalassémie. Les chercheurs voulaient trouver et optimiser la technologie génomique pour éditer le gène de l’hémoglobine fœtale. Une altération installée par l’édition de base d’adénosine était particulièrement puissante pour restaurer l’expression de l’hémoglobine fœtale dans les globules rouges postnatals.
Nous avons montré que les éditeurs de base augmentaient de manière significative les niveaux d’hémoglobine fœtale. Maintenant, mon équipe d’ingénierie du génome thérapeutique est déjà au travail, commençant à optimiser l’édition de base pour déplacer cette technologie vers la clinique. »
Jonathan Yen, Ph.D., auteur correspondant principal, directeur du groupe St. Jude Therapeutic Genome Engineering
Sommaire
L’hémoglobine détient la clé
L’hémoglobine adulte, exprimée principalement après la naissance, contient quatre sous-unités protéiques -; deux bêta-globine et deux alpha-globine. Des mutations du gène de la bêta-globine provoquent la drépanocytose et la bêta-thalassémie. Mais les humains ont un autre gène de sous-unité d’hémoglobine (gamma-globine), qui est exprimé pendant le développement fœtal au lieu de la bêta-globine. La gamma-globine se combine avec l’alpha-globine pour former l’hémoglobine fœtale. Normalement autour de la naissance, l’expression de la gamma-globine est désactivée et la bêta-globine est activée, passant de l’hémoglobine fœtale à l’hémoglobine adulte. Les technologies d’édition du génome peuvent introduire des mutations qui réactivent le gène gamma-globine, augmentant ainsi la production d’hémoglobine fœtale, qui peut remplacer efficacement la production défectueuse d’hémoglobine adulte.
« Nous avons utilisé un éditeur basé pour créer un nouveau site de liaison du facteur de transcription TAL1 qui provoque une induction particulièrement forte de l’hémoglobine fœtale », a déclaré Yen. « La création d’un nouveau site de liaison au facteur de transcription nécessite un changement précis de paire de bases – ; quelque chose qui ne peut pas être fait avec CRISPR-Cas9 sans générer de sous-produits indésirables et d’autres conséquences potentielles de cassures double brin. »
La gamma-globine [fetal hemoglobin] Le gène est une bonne cible pour l’édition de base car il existe des mutations très précises qui peuvent réactiver son expression pour induire l’expression après la naissance, ce qui peut fournir un traitement puissant « taille unique » pour toutes les mutations qui causent la SCD et la bêta-thalassémie . »
Mitchell Weiss, MD, Ph.D., auteur co-correspondant, chaire du département d’hématologie de St. Jude
Ainsi, les scientifiques veulent restaurer l’expression de l’hémoglobine fœtale car il s’agit d’un traitement plus universel pour les troubles majeurs de l’hémoglobine que la correction de la mutation SCD ou des centaines de mutations qui causent la bêta-thalassémie. L’augmentation de l’expression de l’hémoglobine fœtale a le potentiel de bénéficier thérapeutiquement à la plupart des patients atteints de SCD ou de bêta-thalassémie, quelles que soient leurs mutations causales. Les chercheurs ont déjà montré une preuve de principe avec plusieurs approches d’édition du génome, mais cette étude est la première à comparer systématiquement l’efficacité de ces différentes stratégies.
« Nous avons examiné de près les résultats individuels des séquences d’ADN des nucléases et des éditeurs de base utilisés pour effectuer des modifications thérapeutiques des gènes de l’hémoglobine fœtale. Étant donné que les nucléases génèrent souvent des mélanges complexes et incontrôlés de nombreux résultats de séquences d’ADN différents, nous avons caractérisé la manière dont chaque séquence éditée par nucléase affecte le fœtus. Ensuite, nous avons fait de même pour les résultats de l’édition de base, qui étaient beaucoup plus homogènes », a déclaré l’auteur co-correspondant David Liu, Ph.D., Richard Merkin, professeur au Broad Institute du MIT et de Harvard, dont le laboratoire a inventé l’édition de base. en 2016.
L’étude a découvert que l’utilisation de l’édition de base sur le site le plus puissant du promoteur gamma-globine atteignait des niveaux d’HbF 2 à 4 fois plus élevés que l’édition Cas9. Ils ont en outre démontré que ces modifications de base pouvaient être conservées lors de la greffe de cellules souches sanguines provenant de donneurs sains et de patients atteints de SCD en les plaçant dans des souris immunodéprimées.
Répondre aux préoccupations en matière de sécurité
« En fin de compte, nous avons montré que toutes les approches génétiques ne sont pas égales », a déclaré Yen. « Les éditeurs de base peuvent être en mesure de créer des modifications plus puissantes et précises que les autres technologies. Mais nous devons faire plus de tests de sécurité et d’optimisation. »
Par rapport à la sécurité, l’édition de base a provoqué moins d’événements génotoxiques, tels que l’activation de p53 et de grandes suppressions. L’édition de base était beaucoup plus cohérente dans ses éditions et ses produits – ; une propriété de sécurité hautement souhaitable pour une thérapie clinique. Contrairement au Cas9 conventionnel, qui génère des mélanges incontrôlés de mutations d’insertion et de suppression appelées « indels », l’édition de bases génère des changements de nucléotides précis avec peu de sous-produits indésirables.
« Dans notre comparaison, nous avons trouvé des problèmes imprévus avec les nucléases Cas9 conventionnelles », a déclaré Weiss. « Nous avons été quelque peu surpris que toutes les insertions ou suppressions de Cas9 n’aient pas augmenté l’hémoglobine fœtale dans la même mesure, ce qui indique le potentiel de résultats biologiques hétérogènes avec cette technologie. » Le groupe a découvert que les globules rouges individuels dérivés de cellules souches hématopoïétiques traitées avec le même Cas9 produisent une quantité plus variable d’hémoglobine fœtale par rapport aux cellules traitées avec l’édition de base. Ainsi, l’édition de base a produit des résultats plus puissants, fiables et cohérents, qui sont des propriétés thérapeutiques souhaitables.
Bien que l’édition de base ait bien fonctionné, les chercheurs n’ont pas encore déterminé sa sécurité chez les patients. Notamment, l’édition de base peut présenter certains risques non présentés par Cas9 ; par exemple, certains éditeurs de bases précoces peuvent provoquer des modifications indésirables de l’ADN ou de l’ARN génomique sur des sites hors cible. Le groupe a montré que ces changements sont relativement faibles et ne devraient pas être nocifs, mais des études plus approfondies sont nécessaires pour évaluer pleinement ces risques.
L’avenir de la thérapie d’édition de gènes
Tout au long de l’étude, les scientifiques ont directement comparé les performances des nucléases Cas9 sur deux sites cibles différents qui induisent la production d’hémoglobine fœtale de différentes manières et en modifiant les bases. L’édition de base utilise un mécanisme d’édition distinct qui convertit directement une paire de bases d’ADN en une autre, plutôt que de couper la double hélice d’ADN en deux morceaux.
Les approches de la nucléase Cas9 créent des mélanges de délétions et d’insertions qui altèrent l’expression ou l’activité de BCL11A, un répresseur bien connu du gène gamma-globine. En revanche, l’édition de base crée un nouveau motif de liaison au facteur de transcription dans le promoteur de la gamma-globine. Les approches de la nucléase Cas9 et une approche d’édition de base différente sont testées dans le cadre d’essais cliniques. St. Jude participe à certaines de ces études.
« Il est très important de tester et de comparer différentes approches d’édition du génome pour le traitement de la SCD et de la bêta-thalassémie, car les meilleures ne sont pas connues », a déclaré Weiss.
John Tisdale, MD, co-auteur de l’étude et chef de la branche de la thérapeutique cellulaire et moléculaire à l’Institut national du cœur, des poumons et du sang, était d’accord. « La science de l’édition de gènes évolue rapidement et nous sommes désormais en mesure d’envisager plusieurs stratégies différentes pour lutter contre la drépanocytose », a déclaré Tisdale. « Ces découvertes nous rapprochent un peu plus de notre objectif de traitements largement disponibles. »
Auteurs et financement
Les premiers auteurs de l’étude sont Thiyagaraj Mayuranathan, St. Jude et Gregory Newby, Broad Institute. Les autres auteurs sont Ruopeng Feng, Yu Yao, Kalin Mayberry, Cicera Lazzarotto, Yichao Li, Rachel Levine, Nikitha Nimmagadda, Erin Dempsey, Guolian Kang, Shaina Porter, Phillip Doerfler, Jingjing Zhang, Yoonjeong Jang, Jingjing Chen, Senthil Velan Bhoopalan, Akshay Sharma, Shondra Pruett-Miller, Yong Cheng et Shengdar Tsai, tous de St. Jude ; Henry Bell et Merlin Crossley, Université de Nouvelle-Galles du Sud et John Tisdale, Institut national du cœur, des poumons et du sang et Institut national du diabète et des maladies digestives et rénales.
L’étude a été soutenue par des subventions des National Institutes of Health (U01 AI142756, RM1 HG009490, R01 EB022376, R35 GM118062, R01 HL156647, R01 HL136135, P01 HL053749, U01 AI157189, R35 GM133614, HL 163805, K01 DK132453 et P30 CA21765) ; la Fondation Bill et Melinda Gates ; le Howard Hughes Medical Institute, y compris une bourse postdoctorale Helen Hay Whitney; le Consortium de recherche collaborative St. Jude pour le SCD ; la Fondation Doris Duke ; la Fondation Assise de Memphis ; Bourse de recherche postdoctorale de la Cooley’s Anemia Foundation; l’American Society of Hematology (RTAF) et l’ALSAC, l’organisation de collecte de fonds et de sensibilisation de St. Jude.
