En utilisant une approche basée sur les protéines CRISPR, les chercheurs du MIT ont développé une nouvelle façon de contrôler avec précision la quantité d’une protéine particulière qui est produite dans les cellules de mammifères.
Cette technique pourrait être utilisée pour affiner la production de protéines utiles, telles que les anticorps monoclonaux utilisés pour traiter le cancer et d’autres maladies, ou d’autres aspects du comportement cellulaire. Dans leur nouvelle étude, qui paraît dans Communication Natureles chercheurs ont montré que ce système peut fonctionner dans une variété de cellules de mammifères, avec des résultats très cohérents.
C’est un système hautement prévisible que nous pouvons concevoir dès le départ et obtenir ensuite le résultat escompté. C’est un système très réglable et adapté à de nombreuses applications biomédicales différentes dans différents types de cellules. »
William CW Chen, ancien chercheur du MIT
Chen, qui est maintenant professeur adjoint de sciences biomédicales à l’Université du Dakota du Sud, est l’un des principaux auteurs de la nouvelle étude, avec l’ancien chercheur du MIT Leonid Gaidukov et le postdoc Yong Lai. L’auteur principal Timothy Lu a dirigé la recherche en tant que professeur associé au MIT en génie biologique, en génie électrique et en informatique.
Contrôle génétique
De nombreuses protéines thérapeutiques, y compris des anticorps monoclonaux, sont produites dans de grands bioréacteurs contenant des cellules de mammifères conçues pour générer la protéine souhaitée. Il y a plusieurs années, des chercheurs du Centre de biologie synthétique du MIT, y compris le laboratoire de Lu, ont commencé à travailler avec Pfizer Inc. sur un projet visant à développer des outils de biologie synthétique qui pourraient être utilisés pour stimuler la production de ces protéines utiles.
Pour ce faire, les chercheurs ont ciblé les promoteurs des gènes qu’ils souhaitaient réguler positivement. Dans toutes les cellules de mammifères, les gènes possèdent une région promotrice qui se lie aux facteurs de transcription – ; protéines qui initient la transcription du gène en ARN messager.
Dans des travaux antérieurs, les scientifiques ont conçu des facteurs de transcription synthétiques, y compris des protéines appelées doigts de zinc, pour aider à activer les gènes cibles. Cependant, les doigts de zinc et la plupart des autres types de facteurs de transcription synthétiques doivent être repensés pour chaque gène qu’ils ciblent, ce qui les rend difficiles et chronophages à développer.
En 2013, les chercheurs du laboratoire de Lu ont développé un facteur de transcription basé sur CRISPR qui leur a permis de contrôler plus facilement la transcription des gènes naturels dans les cellules de mammifères et de levure. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont décidé de s’appuyer sur ces travaux pour créer une bibliothèque de pièces biologiques synthétiques qui leur permettrait de délivrer un transgène – ; un gène normalement non exprimé par la cellule – ; et contrôler précisément son expression.
« L’idée est d’avoir un système de promoteur synthétique à spectre complet qui peut aller de très faible à très élevé, pour s’adapter à différentes applications cellulaires », explique Chen.
Le système conçu par les chercheurs comprend plusieurs composants. L’un est le gène à transcrire, ainsi qu’une séquence « opérateur », qui consiste en une série de sites de liaison de facteurs de transcription artificiels. Un autre composant est un ARN guide qui se lie à ces séquences opératrices. Enfin, le système comprend également un domaine d’activation de la transcription attaché à une protéine Cas9 désactivée. Lorsque cette protéine Cas9 désactivée se lie à l’ARN guide sur le site du promoteur synthétique, le facteur de transcription basé sur CRISPR peut activer l’expression génique.
Les sites promoteurs utilisés pour ce système synthétique ont été conçus pour être distincts des sites promoteurs naturels, de sorte que le système n’affecte pas les gènes dans les propres génomes des cellules. Chaque opérateur comprend entre deux et 16 copies du site de liaison de l’ARN guide, et les chercheurs ont découvert que leur système pouvait initier la transcription génique à des taux qui correspondent linéairement au nombre de sites de liaison, leur permettant de contrôler avec précision la quantité de protéine produite.
Haute consistance
Les chercheurs ont testé leur système dans plusieurs types de cellules de mammifères, notamment des cellules ovariennes de hamster chinois (CHO), qui sont couramment utilisées pour produire des protéines thérapeutiques dans des bioréacteurs industriels. Ils ont trouvé des résultats très similaires dans les cellules CHO et les autres cellules qu’ils ont testées, y compris les myoblastes de souris et de rat (précurseurs des cellules musculaires), les cellules rénales embryonnaires humaines et les cellules souches pluripotentes induites par l’homme.
« Le système a une cohérence très élevée sur différents types de cellules et différents gènes cibles », a déclaré Chen. « C’est un bon point de départ pour réfléchir à la régulation de l’expression des gènes et du comportement cellulaire avec un système artificiel hautement réglable et prévisible. »
Après avoir d’abord démontré qu’ils pouvaient utiliser le nouveau système pour inciter les cellules à produire les quantités attendues de protéines fluorescentes, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient également l’utiliser pour programmer la production des deux principaux segments d’un anticorps monoclonal appelé JUG444.
Les chercheurs ont également programmé des cellules CHO pour produire différentes quantités d’un anticorps humain appelé anti-PD1. Lorsque les lymphocytes T humains ont été exposés à ces cellules, ils sont devenus des tueurs de cellules tumorales plus puissants s’il y avait une plus grande quantité d’anticorps produits.
Bien que les chercheurs aient pu obtenir un rendement élevé des anticorps souhaités, des travaux supplémentaires seraient nécessaires pour intégrer ce système dans les processus industriels, disent-ils. Contrairement aux cellules utilisées dans les bioréacteurs industriels, les cellules utilisées dans cette étude ont été cultivées sur une surface plane, plutôt que dans une suspension liquide.
« C’est un système qui promet d’être utilisé dans des applications industrielles, mais nous devons d’abord l’adapter aux cellules en suspension, pour voir s’ils fabriquent les protéines de la même manière. Je soupçonne qu’il devrait en être de même, car il n’y a aucune raison pour que cela ne devrait pas être le cas, mais nous devons encore le tester », déclare Chen.
La recherche a été financée par le programme de biologie synthétique Pfizer-MIT RCA, la National Science Foundation, les National Institutes of Health, la Sanford School of Medicine de l’Université du Dakota du Sud, une bourse postdoctorale NIH Ruth L. Kirschstein NRSA et le US Department of La défense.
