Le développement des médicaments est généralement lent : il faut parfois des décennies pour passer des découvertes de la recherche fondamentale qui fournissent la base d’un nouveau médicament aux essais cliniques et à la production d’un médicament largement disponible. Mais ces décennies peuvent sembler interminables pour une personne atteinte d’une maladie mortelle. Sonia Vallabh, responsable du groupe senior du Broad Institute, est parfaitement consciente de cette course contre la montre, car le sujet de ses recherches est une maladie neurodégénérative et finalement mortelle – l’insomnie familiale mortelle, un type de maladie à prions – qu’elle développera presque certainement en vieillissant. Sonia Vallabh et son mari, Eric Minikel, ont changé de carrière et sont devenus chercheurs après avoir appris que Sonia Vallabh était porteuse d’une version pathogène du gène de la protéine prion et qu’il n’existait aucun traitement efficace contre les maladies à prions mortelles. Tous deux dirigent désormais un laboratoire au Broad Institute où ils travaillent au développement de médicaments qui peuvent prévenir et traiter ces maladies, et leur délai de réussite ne dépend pas des cycles de subventions ou des attentes académiques, mais de la bombe à retardement qui se trouve dans le code génétique de Sonia Vallabh.
C'est pourquoi Vallabh a été ravie de découvrir, lorsqu'elle a entamé une collaboration avec Jonathan Weissman, membre de l'Institut Whitehead, que le groupe de Weissman aime travailler à plein régime. En moins de deux ans, Weissman, Vallabh et leurs collaborateurs ont développé un ensemble d'outils moléculaires appelés CHARMs qui peuvent désactiver des gènes responsables de maladies tels que le gène de la protéine prion, ainsi que, potentiellement, des gènes codant pour de nombreuses autres protéines impliquées dans les maladies neurodégénératives et autres, et ils affinent ces outils pour en faire de bons candidats à une utilisation chez les patients humains. Bien que ces outils aient encore de nombreux obstacles à franchir avant que les chercheurs ne sachent s'ils fonctionnent comme des produits thérapeutiques, l'équipe est encouragée par la rapidité avec laquelle ils ont développé la technologie jusqu'à présent.
« L'esprit de la collaboration depuis le début a été de ne pas attendre de formalités. Dès que nous avons pris conscience de notre enthousiasme mutuel à l'idée de faire cela, tout s'est mis en branle. »
Sonia Vallabh, chef de groupe principale du Broad Institute
Les co-auteurs correspondants Weissman et Vallabh et les co-premiers auteurs Edwin Neumann, étudiant diplômé dans le laboratoire de Weissman, et Tessa Bertozzi, postdoctorante dans le laboratoire de Weissman, décrivent CHARM-;qui signifie Coupled Histone tail for Autoinhibition Release of Methyltransferase-;dans un article publié dans la revue Science le 27 juin.
« Avec les instituts Whitehead et Broad situés à proximité l'un de l'autre, je ne pense pas qu'il existe de meilleur endroit que celui-ci pour un groupe de personnes motivées qui souhaitent progresser rapidement et avec souplesse dans la recherche de la science universitaire et de la technologie médicale », déclare Weissman, qui est également professeur de biologie au Massachusetts Institute of Technology et chercheur au HHMI. « Les CHARMS sont une solution élégante au problème de la réduction au silence des gènes pathogènes et ils ont le potentiel d'occuper une place importante dans l'avenir des médicaments génétiques. »
Pour traiter une maladie génétique, ciblez le gène
La maladie à prions, qui entraîne une neurodégénérescence rapide et la mort, est causée par la présence de versions déformées de la protéine prion. Celles-ci provoquent un effet en cascade dans le cerveau : les protéines prions défectueuses déforment d'autres protéines et, ensemble, ces protéines non seulement cessent de fonctionner correctement, mais forment également des agrégats toxiques qui tuent les neurones. Le type le plus connu de maladie à prions, connu familièrement sous le nom de maladie de la vache folle, est contagieux, mais d'autres formes de maladie à prions peuvent survenir spontanément ou être causées par des gènes défectueux des protéines prions.
La plupart des médicaments conventionnels agissent en ciblant une protéine. Les CHARM, cependant, agissent plus en amont, désactivant le gène qui code pour la protéine défectueuse, de sorte que la protéine ne soit jamais produite. Les CHARM le font par édition épigénétique, dans laquelle une étiquette chimique est ajoutée à l'ADN afin de désactiver ou de faire taire un gène cible. Contrairement à l’édition génétique, l’édition épigénétique ne modifie pas l’ADN sous-jacent ; le gène lui-même reste intact. Cependant, comme l’édition génétique, l’édition épigénétique est stable, ce qui signifie qu’un gène désactivé par CHARM doit rester désactivé. Cela signifierait que les patients ne devraient prendre CHARM qu'une seule fois, par opposition aux médicaments ciblant les protéines qui doivent être pris régulièrement à mesure que les niveaux de protéines des cellules se reconstituent.
La recherche chez les animaux suggère que la protéine prion n'est pas nécessaire chez un adulte en bonne santé et qu'en cas de maladie, l'élimination de la protéine améliore, voire élimine les symptômes de la maladie. Chez une personne qui n’a pas encore développé de symptômes, l’élimination de la protéine devrait prévenir complètement la maladie. En d’autres termes, l’édition épigénétique pourrait constituer une approche efficace pour traiter les maladies génétiques telles que les maladies héréditaires à prions. Le défi consiste à créer un nouveau type de thérapie.
Heureusement, l'équipe disposait d'un bon modèle pour CHARM : un outil de recherche appelé CRISPRoff que le groupe de Weissman avait précédemment développé pour faire taire les gènes. CRISPRoff utilise des éléments constitutifs de la technologie d'édition génétique CRISPR, notamment la protéine guide Cas9 qui dirige l'outil vers le gène cible. CRISPRoff fait taire le gène ciblé en ajoutant des groupes méthyles, des étiquettes chimiques qui empêchent le gène d'être transcrit ou lu dans l'ARN et ainsi d'être exprimé sous forme de protéine. Lorsque les chercheurs ont testé la capacité de CRISPRoff à faire taire le gène de la protéine prion, ils ont constaté qu'il était efficace et stable.
Plusieurs de ses propriétés ont cependant empêché CRISPRoff d’être un bon candidat pour une thérapie. L'objectif des chercheurs était de créer un outil basé sur CRISPRoff qui soit tout aussi puissant mais également sans danger pour une utilisation chez l'homme, suffisamment petit pour être délivré au cerveau et conçu pour minimiser le risque de faire taire les mauvais gènes ou de provoquer des effets secondaires.
De l'outil de recherche au candidat médicament
Sous la direction de Neumann et Bertozzi, les chercheurs ont commencé à concevoir et à appliquer leur nouvel éditeur d’épigénome. Le premier problème auquel ils ont dû faire face était la taille, car l’éditeur doit être suffisamment petit pour être emballé et délivré à des cellules spécifiques du corps. L’introduction de gènes dans le cerveau humain est un défi ; de nombreux essais cliniques ont utilisé des virus adéno-associés (AAV) comme vecteurs de délivrance de gènes, mais ceux-ci sont petits et ne peuvent contenir qu’une petite quantité de code génétique. CRISPRoff est beaucoup trop gros ; le code de Cas9 à lui seul occupe la majeure partie de l’espace disponible.
Les chercheurs du laboratoire Weissman ont décidé de remplacer Cas9 par une protéine à doigt de zinc (ZFP) beaucoup plus petite. Comme Cas9, les ZFP peuvent servir de protéines de guidage pour diriger l'outil vers un site cible dans l'ADN. Les ZFP sont également courantes dans les cellules humaines, ce qui signifie qu'elles sont moins susceptibles de déclencher une réponse immunitaire contre elles-mêmes que la Cas9 bactérienne.
Ensuite, les chercheurs ont dû concevoir la partie de l’outil qui ferait taire le gène de la protéine prion. Au début, ils ont utilisé une partie d’une méthyltransférase, une molécule qui ajoute des groupes méthyle à l’ADN, appelée DNMT3A. Cependant, dans la configuration particulière requise pour l’outil, la molécule s’est révélée toxique pour la cellule. Les chercheurs se sont concentrés sur une solution différente : au lieu d'administrer le DNMT3A en dehors du traitement, l'outil est capable de recruter le propre DNMT3A de la cellule dans le gène de la protéine prion. Cela a libéré un espace précieux à l’intérieur du vecteur AAV et évité la toxicité.
Les chercheurs devaient également activer DNMT3A. Dans la cellule, DNMT3A est généralement inactif jusqu'à ce qu'il interagisse avec certaines molécules partenaires. Cette inactivité par défaut empêche la méthylation accidentelle des gènes qui doivent rester activés. Neumann a trouvé une solution ingénieuse pour contourner ce problème en combinant des sections de molécules partenaires de DNMT3A et en les connectant à des ZFP qui les amènent au gène de la protéine prion. Lorsque le DNMT3A de la cellule rencontre cette combinaison de parties, il s'active, faisant taire le gène.
« Du point de vue de la toxicité et de la taille, il était logique de recruter la machinerie dont dispose déjà la cellule ; c'était une solution beaucoup plus simple et plus élégante », explique Neumann. « Les cellules utilisent déjà des méthyltransférases en permanence, et nous les incitons simplement à désactiver un gène qu'elles laisseraient normalement activé. »
Des tests sur des souris ont montré que les CHARM guidés par ZFP pouvaient éliminer plus de 80 % de la protéine prion dans le cerveau, tandis que des recherches antérieures ont montré qu'une élimination aussi faible que 21 % peut améliorer les symptômes.
Une fois que les chercheurs ont compris qu’ils disposaient d’un puissant silencieux génétique, ils se sont tournés vers le problème des effets hors cible. Le code génétique d'un CHARM qui est délivré à une cellule continuera à produire des copies du CHARM indéfiniment. Cependant, une fois le gène de la protéine prion désactivé, cela ne présente aucun avantage, seulement plus de temps pour que les effets secondaires se développent. Ils ont donc modifié l'outil de sorte qu'après avoir désactivé le gène de la protéine prion, il s'éteigne lui-même.
Entre-temps, un projet complémentaire du laboratoire du scientifique et collaborateur du Broad Institute, Benjamin Deverman, s'est concentré sur la transmission de gènes à l'échelle du cerveau et a été publié dans Science le 17 mai, a rapproché la technologie CHARM de sa préparation aux essais cliniques. Bien que des types d’AAV d’origine naturelle aient déjà été utilisés pour la thérapie génique chez l’homme, ils ne pénètrent pas efficacement dans le cerveau adulte, ce qui rend impossible le traitement d’une maladie du cerveau entier telle que la maladie à prions. S'attaquant au problème de livraison, le groupe de Deverman a conçu un vecteur AAV qui peut pénétrer plus efficacement dans le cerveau en exploitant une voie qui transporte naturellement le fer dans le cerveau. Des vecteurs techniques comme celui-ci rapprochent une thérapie comme CHARM de la réalité.
Grâce à ces solutions créatives, les chercheurs disposent désormais d’un éditeur épigénétique hautement efficace, suffisamment petit pour être délivré au cerveau et qui, dans les cultures cellulaires et les tests sur les animaux, semble avoir une faible toxicité et des effets hors cible limités.
« Cela a été un privilège de faire partie de cela ; il est assez rare de passer de la recherche fondamentale à l'application thérapeutique en si peu de temps », déclare Bertozzi. « Je pense que la clé était de former une collaboration qui tirait parti de l'expérience du laboratoire Weissman en matière de création d'outils, des connaissances approfondies des laboratoires Vallabh et Minikel sur la maladie et de l'expertise du laboratoire Deverman en matière de délivrance de gènes. »
Regarder vers l'avant
Les principaux éléments de la technologie CHARM étant résolus, l'équipe peaufine désormais son outil pour le rendre plus efficace, plus sûr et plus facile à produire à grande échelle, comme cela sera nécessaire pour les essais cliniques. Ils ont déjà rendu l'outil modulaire, de sorte que ses différentes pièces peuvent être échangées et que les futurs CHARM n'auront pas à être programmés à partir de zéro. Les CHARM sont également actuellement testés comme produits thérapeutiques sur des souris.
Le chemin qui mène de la recherche fondamentale aux essais cliniques est long et tortueux, et les chercheurs savent que les CHARM ont encore du chemin à parcourir avant de devenir une option médicale viable pour les personnes atteintes de maladies à prions, dont la maladie de Vallabh, ou d'autres maladies ayant des composantes génétiques similaires. Cependant, avec un modèle thérapeutique solide et des résultats de laboratoire prometteurs en main, les chercheurs ont de bonnes raisons d'être optimistes. Ils continuent de travailler à plein régime, déterminés à développer leur technologie afin qu'elle puisse sauver la vie des patients non pas un jour, mais le plus rapidement possible.
