L'édition du génome est devenue une technologie largement adoptée pour modifier l'ADN des cellules, ce qui permet aux scientifiques d'étudier les maladies en laboratoire et de développer des thérapies qui réparent les mutations à l'origine de maladies. Cependant, avec les approches actuelles, il n'est possible de modifier les cellules qu'à un seul endroit à la fois.
Une équipe de scientifiques des instituts Gladstone a développé une nouvelle méthode qui leur permet de réaliser des modifications précises à plusieurs endroits d'une cellule, et ce, en même temps. À l'aide de molécules appelées rétons, ils ont créé un outil capable de modifier efficacement l'ADN des bactéries, des levures et des cellules humaines.
« Nous voulions repousser les limites des technologies génomiques en concevant des outils qui nous aident à étudier la véritable complexité de la biologie et de la maladie », explique le chercheur associé Seth Shipman, PhD, auteur principal d'une nouvelle étude publiée dans Nature Chimie Biologie.
Surmonter les limites
Shipman est un leader dans le domaine naissant et en pleine croissance des rétons, qui sont des composants moléculaires du système immunitaire bactérien capables de produire de grandes quantités d'ADN. En 2022, en combinant les rétons avec l'édition du génome CRISPR-Cas9, son laboratoire a mis au point un système permettant d'éditer rapidement et efficacement les cellules humaines.
Avec cette nouvelle étude, les chercheurs souhaitaient utiliser leur système pour surmonter une limitation des méthodes actuelles d’édition du génome.
« Si l'on voulait modifier une cellule à plusieurs endroits du génome qui ne sont pas proches les uns des autres, l'approche standard jusqu'à présent consistait à effectuer les modifications l'une après l'autre », explique le Dr Alejandro González-Delgado, l'un des premiers auteurs de l'étude et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Shipman. « C'était un cycle laborieux : on effectuait d'abord une modification, puis on utilisait les cellules modifiées pour introduire une autre modification, et ainsi de suite. »
L'équipe a trouvé un moyen de coder un rétron pour qu'il puisse générer différentes portions d'ADN. Une fois introduits dans une cellule, ces rétrons modifiés, appelés multitrons, peuvent effectuer plusieurs modifications simultanément.
Un autre avantage des multitrons est leur capacité à supprimer de grandes sections du génome.
Avec les multitrons, nous pouvons effectuer des suppressions séquentielles pour découper et réduire les parties médianes de la région du génome que nous ciblons, en rapprochant les extrémités les plus éloignées jusqu'à ce que la région entière soit complètement supprimée.
Alejandro González-Delgado, Ph. D., l'un des premiers auteurs de l'étude
De nombreuses applications potentielles
Dans le cadre de leur étude, Shipman et son équipe ont démontré des applications immédiates de leur nouvelle méthode dans l’enregistrement moléculaire et l’ingénierie métabolique.
Les rétrons, comme ils l'ont déjà montré, peuvent être utilisés pour enregistrer les événements moléculaires dans une cellule, fournissant un journal détaillé de l'activité de la cellule et des changements de son environnement. Avec les multitrons, les chercheurs ont étendu cette approche et peuvent désormais enregistrer avec une plus grande sensibilité.
« Les multitrons nous permettent d'enregistrer simultanément des signaux très faibles et très forts, ce qui élargit la plage dynamique de nos enregistrements », explique González-Delgado. « À terme, nous pourrions imaginer mettre en œuvre ce type d'outil dans le microbiome intestinal pour enregistrer un signal comme l'inflammation. »
En ce qui concerne l’ingénierie métabolique, les scientifiques ont montré que les multitrons peuvent être utilisés pour modifier simultanément plusieurs gènes d’une voie métabolique afin d’augmenter rapidement la production d’une substance ciblée au sein d’une cellule. Ils ont testé leur approche sur un puissant antioxydant appelé lycopène et ont réussi à multiplier par trois la production de ce composé.
« Pour commencer à modéliser des maladies génétiques complexes et éventuellement trouver des traitements ou des remèdes, nous devons effectuer de nombreuses mutations différentes sur les cellules en même temps », explique Shipman, qui est également professeur associé au département de bio-ingénierie et de sciences thérapeutiques de l'Université de Californie à San Francisco, ainsi que chercheur au Biohub Chan Zuckerberg. « Notre nouvelle approche est un pas dans cette direction. »
