Le CRISPR-Cas est largement utilisé dans la recherche et la médecine pour modifier, insérer, supprimer ou réguler les gènes dans les organismes. TnpB est un ancêtre de ce célèbre « ciseau à gènes », mais il est beaucoup plus petit et donc plus facile à transporter dans les cellules. En utilisant l'ingénierie des protéines et des algorithmes d'IA, les chercheurs de l'UZH ont maintenant amélioré les capacités de TnpB pour rendre l'édition de l'ADN plus efficace et plus polyvalente, ouvrant la voie au traitement d'un défaut génétique lié à l'hypercholestérolémie à l'avenir.
Les systèmes CRISPR-Cas, composés de protéines et d'ARN, ont été développés à l'origine comme mécanisme de défense naturel des bactéries pour repousser les virus intrus. Au cours de la dernière décennie, la réingénierie de ces « ciseaux génétiques » a révolutionné le génie génétique en science et en médecine. Ces outils peuvent être programmés pour trouver un emplacement spécifique dans notre ADN et modifier l'information génétique de manière précise. Par exemple, une mutation pathogène dans l'ADN peut être rétablie à son état normal.
Outil d'édition du génome beaucoup plus petit
Il a récemment été découvert que les protéines Cas ont évolué à partir de protéines beaucoup plus petites, la protéine TnpB étant le progéniteur de Cas12. La grande taille des protéines Cas rendant difficile leur acheminement vers les bonnes cellules du corps, des études récentes ont tenté d'utiliser leurs progéniteurs évolutifs plus petits comme outil d'édition du génome. Le problème avec ces petites alternatives est qu'elles fonctionnent moins efficacement. Cet obstacle a été 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 concevant la petite mais puissante protéine TnpB, nous avons pu concevoir une variante qui montre une augmentation de 4,4 fois de l'efficacité de la modification de l'ADN – la rendant plus efficace en tant qu'outil d'édition de gènes.
Gerald Schwank, Institut de pharmacologie et de toxicologie, Université de Zurich
Les protéines TnpB sont présentes dans une variété de bactéries et d'archées. La TnpB étudiée par les chercheurs provient de la bactérie Déinocoque radioduransCe microbe survit au froid, à la déshydratation, au vide et à l'acide, et est l'un des organismes les plus résistants aux radiations connus de l'homme. Il a déjà été démontré que la protéine compacte TnpB fonctionne pour l'édition du génome dans les cellules humaines, bien qu'avec une faible efficacité et une capacité de ciblage limitée en raison de ses exigences de reconnaissance lors de la liaison à l'ADN.
Meilleure capacité de liaison et gamme plus large de séquences cibles d'ADN
Les chercheurs ont donc optimisé la protéine TnpB pour qu'elle modifie l'ADN des cellules de mammifères plus efficacement que la protéine d'origine. « L'astuce consistait à modifier l'outil de deux manières : d'abord, pour qu'il atteigne plus efficacement le noyau où se trouve l'ADN génomique, et ensuite, pour qu'il cible également des séquences génomiques alternatives », explique Kim Marquart, doctorante dans le laboratoire de Gerald Schwank et première auteure de l'étude.
Pour identifier les caractéristiques des séquences d’ADN des sites cibles qui déterminent l’efficacité de l’édition du génome, les chercheurs ont testé 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 TnpB sur n’importe quel site cible donné. « Notre modèle peut prédire l’efficacité de TnpB dans différents scénarios, ce qui facilite et accélère la conception d’expériences d’édition génétique réussies. Grâce à ces prédictions, nous avons obtenu jusqu’à 75,3 % d’efficacité dans le foie de souris et 65,9 % dans le cerveau de souris », ajoute Marquart.
Thérapie d'édition génétique pour traiter un défaut génétique lié à un taux de cholestérol élevé
« Pour les expériences sur les animaux, 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 génétique TnpB peut être intégré dans une seule particule virale », explique Marquart. En revanche, les composants CRISPR-Cas9 doivent être intégrés dans plusieurs particules virales, ce qui signifie que des doses de vecteur plus élevées 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 un taux de cholestérol élevé à vie, affectant environ 31 millions de personnes dans le monde. Cette maladie augmente le risque de maladie cardiovasculaire athéroscléreuse à début précoce. « Nous avons pu modifier un gène qui régule le taux de cholestérol, réduisant ainsi le taux de cholestérol chez les souris traitées de près de 80 %. L'objectif est de développer des stratégies de modification génétique similaires chez l'homme afin de traiter les patients souffrant d'hypercholestérolémie », explique Gerald Schwank.
