Une équipe de chercheurs dirigée par Feng Zhang du Broad Institute du MIT et de Harvard et du McGovern Institute for Brain Research du MIT a découvert le premier système programmable guidé par l’ARN chez les eucaryotes – ; organismes qui comprennent les champignons, les plantes et les animaux.
Dans une étude en Nature, l’équipe décrit comment le système est basé sur une protéine appelée Fanzor. Ils ont montré que les protéines Fanzor utilisent l’ARN comme guide pour cibler précisément l’ADN, et que les Fanzor peuvent être reprogrammés pour éditer le génome des cellules humaines. Les systèmes compacts Fanzor ont le potentiel d’être plus facilement administrés aux cellules et aux tissus à titre thérapeutique que les systèmes CRISPR/Cas, et d’autres améliorations pour améliorer leur efficacité de ciblage pourraient en faire une nouvelle technologie précieuse pour l’édition du génome humain.
CRISPR/Cas a été découvert pour la première fois chez les procaryotes (bactéries et autres organismes unicellulaires dépourvus de noyaux) et les scientifiques, dont le laboratoire de Zhang, se demandent depuis longtemps si des systèmes similaires existent chez les eucaryotes. La nouvelle étude démontre que les mécanismes de coupe de l’ADN guidés par l’ARN sont présents dans tous les règnes de la vie.
« Les systèmes basés sur CRISPR sont largement utilisés et puissants car ils peuvent être facilement reprogrammés pour cibler différents sites du génome », a déclaré Zhang, auteur principal de l’étude et membre principal de l’institut au Broad, chercheur au McGovern Institute du MIT, le Professeur James et Patricia Poitras de neurosciences au MIT et chercheur à l’Institut médical Howard Hughes. « Ce nouveau système est un autre moyen d’apporter des modifications précises aux cellules humaines, en complément des outils d’édition du génome dont nous disposons déjà. »
Rechercher les domaines de la vie
L’un des principaux objectifs du laboratoire de Zhang est de développer des médicaments génétiques à l’aide de systèmes capables de moduler les cellules humaines en ciblant des gènes et des processus spécifiques. « Il y a plusieurs années, nous avons commencé à nous demander : ‘Qu’y a-t-il au-delà de CRISPR, et existe-t-il d’autres systèmes programmables par ARN dans la nature ?' », a déclaré Zhang.
Il y a deux ans, les membres du laboratoire de Zhang ont découvert une classe de systèmes programmables par ARN chez les procaryotes appelés OMEGA, qui sont souvent liés à des éléments transposables, ou « gènes sauteurs », dans les génomes bactériens et ont probablement donné naissance aux systèmes CRISPR/Cas. Ce travail a également mis en évidence des similitudes entre les systèmes procaryotes OMEGA et les protéines Fanzor chez les eucaryotes, suggérant que les enzymes Fanzor pourraient également utiliser un mécanisme guidé par l’ARN pour cibler et couper l’ADN.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont poursuivi leur étude des systèmes guidés par l’ARN en isolant les Fanzors des espèces de champignons, d’algues et d’amibes, en plus d’une palourde connue sous le nom de Northern Quahog. Le co-premier auteur Makoto Saito du laboratoire Zhang a dirigé la caractérisation biochimique des protéines Fanzor, montrant qu’il s’agit d’enzymes endonucléases coupant l’ADN qui utilisent des ARN non codants proches appelés ωARN pour cibler des sites particuliers du génome. C’est la première fois que ce mécanisme est découvert chez les eucaryotes, comme les animaux.
Contrairement aux protéines CRISPR, les enzymes Fanzor sont codées dans le génome eucaryote au sein d’éléments transposables et l’analyse phylogénétique de l’équipe suggère que les gènes Fanzor ont migré des bactéries vers les eucaryotes par le biais d’un transfert de gènes dit horizontal.
Ces systèmes OMEGA sont plus ancestraux que CRISPR et ils font partie des protéines les plus abondantes sur la planète, il est donc logique qu’ils aient pu faire des allers-retours entre les procaryotes et les eucaryotes. »
Makoto Saito, co-premier auteur
Pour explorer le potentiel de Fanzor en tant qu’outil d’édition du génome, les chercheurs ont démontré qu’il peut générer des insertions et des suppressions sur des sites ciblés du génome dans les cellules humaines. Les chercheurs ont découvert que le système Fanzor était initialement moins efficace pour couper l’ADN que les systèmes CRISPR/Cas, mais par une ingénierie systématique, ils ont introduit une combinaison de mutations dans la protéine qui a multiplié par 10 son activité. De plus, contrairement à certains systèmes CRISPR et à la protéine OMEGA TnpB, l’équipe a découvert qu’une protéine Fanzor dérivée d’un champignon ne présentait pas d' »activité collatérale », où une enzyme guidée par l’ARN clive sa cible ADN et dégrade l’ADN ou l’ARN à proximité. Les résultats suggèrent que les Fanzors pourraient potentiellement être développés en tant qu’éditeurs de génome efficaces.
Le co-premier auteur Peiyu Xu a mené un effort pour analyser la structure moléculaire du complexe Fanzor/ωARN et illustrer comment il se verrouille sur l’ADN pour le couper. Fanzor partage des similitudes structurelles avec sa protéine homologue procaryote CRISPR-Cas12, mais l’interaction entre l’ωARN et les domaines catalytiques de Fanzor est plus étendue, ce qui suggère que l’ωARN pourrait jouer un rôle dans les réactions catalytiques. « Nous sommes enthousiasmés par ces informations structurelles qui nous aident à développer et à optimiser Fanzor pour une efficacité et une précision améliorées en tant qu’éditeur de génome », a déclaré Xu.
Comme les systèmes basés sur CRISPR, le système Fanzor peut être facilement reprogrammé pour cibler des sites génomiques spécifiques, et Zhang a déclaré qu’il pourrait un jour être développé en une nouvelle technologie puissante d’édition du génome pour la recherche et les applications thérapeutiques. L’abondance d’endonucléases guidées par l’ARN comme les Fanzors augmente encore le nombre de systèmes OMEGA connus dans les règnes de la vie et suggère qu’il en reste encore à découvrir.
« La nature est incroyable. Il y a tellement de diversité », a déclaré Zhang. « Il existe probablement plus de systèmes programmables par ARN, et nous continuons à explorer et nous espérons en découvrir davantage. »
Les autres auteurs de l’article sont Guilhem Faure, Samantha Maguire, Soumya Kannan, Han Altae-Tran, Sam Vo, AnAn Desimone et Rhiannon Macrae.
