Des milliers de coupeurs d’ADN programmables trouvés dans les algues, les escargots et d’autres organismes

Un ensemble diversifié d’espèces, des escargots aux algues en passant par les amibes, fabriquent des enzymes programmables coupant l’ADN appelées Fanzors – et une nouvelle étude menée par des scientifiques de l’Institut McGovern pour la recherche sur le cerveau du MIT en a identifié des milliers. Les Fanzors sont des enzymes guidées par l’ARN qui peuvent être programmées pour couper l’ADN à des sites spécifiques, un peu comme les enzymes bactériennes qui alimentent le système d’édition de gènes largement utilisé connu sous le nom de CRISPR. La diversité nouvellement reconnue des enzymes naturelles de Fanzor, rapportée le 27 septembre dans la revue Avancées scientifiquesoffre aux scientifiques un ensemble complet d’enzymes programmables qui pourraient être adaptées à de nouveaux outils pour la recherche ou la médecine.

« La biologie guidée par l’ARN est ce qui vous permet de créer des outils programmables vraiment faciles à utiliser. Ainsi, plus nous en trouvons, mieux c’est », déclare Omar Abudayyeh, chercheur de McGovern, qui a dirigé la recherche avec Jonathan Gootenberg, chercheur de McGovern.

CRISPR, un ancien système de défense bactérienne, a clairement montré à quel point les enzymes guidées par l’ARN peuvent être utiles lorsqu’elles sont adaptées pour être utilisées en laboratoire. Les outils d’édition du génome basés sur CRISPR développés par Feng Zhang, Abudayyeh, Gootenberg et d’autres, professeur au MIT et chercheur à McGovern, ont changé la façon dont les scientifiques modifient l’ADN, accélérant la recherche et permettant le développement de nombreuses thérapies géniques expérimentales.

Les chercheurs ont depuis découvert d’autres enzymes guides d’ARN dans le monde bactérien, dont beaucoup possèdent des caractéristiques qui les rendent précieuses en laboratoire. La découverte de Fanzors, dont la capacité à couper l’ADN d’une manière guidée par l’ARN a été rapportée par le groupe de Zhang plus tôt cette année, ouvre une nouvelle frontière de la biologie guidée par l’ARN. Les fanzors ont été les premières enzymes de ce type à être trouvées dans les organismes eucaryotes, un large groupe de formes de vie, comprenant des plantes, des animaux et des champignons, définis par le noyau lié à la membrane qui contient le matériel génétique de chaque cellule. (Les bactéries dépourvues de noyaux appartiennent à un groupe appelé procaryotes.)

« Les gens recherchent depuis longtemps des outils intéressants dans les systèmes procaryotes, et je pense que cela a été incroyablement fructueux », déclare Gootenberg. « Les systèmes eucaryotes ne sont en réalité qu’un tout nouveau type de terrain de jeu dans lequel travailler. »

Un espoir, disent Abudayyeh et Gootenberg, est que les enzymes qui ont évolué naturellement dans les organismes eucaryotes pourraient être mieux adaptées pour fonctionner de manière sûre et efficace dans les cellules d’autres organismes eucaryotes, y compris les humains. Le groupe de Zhang a montré que les enzymes Fanzor peuvent être conçues pour couper avec précision des séquences d’ADN spécifiques dans les cellules humaines. Dans leurs nouveaux travaux, Abudayyeh et Gootenberg ont découvert que certains Fanzors peuvent cibler des séquences d’ADN dans les cellules humaines même sans optimisation. « Le fait qu’ils fonctionnent assez efficacement dans les cellules de mammifères était vraiment fantastique à voir », explique Gootenberg.

Avant la présente étude, des centaines de Fanzors avaient été découverts parmi les organismes eucaryotes. Grâce à une recherche approfondie dans les bases de données génétiques dirigée par Justin Lim, membre du laboratoire, l’équipe de Gootenberg et Abudayyeh a maintenant élargi la diversité connue de ces enzymes d’un ordre de grandeur.

Parmi les plus de 3 600 Fanzors que l’équipe a trouvés chez les eucaryotes et les virus qui les infectent, les chercheurs ont pu identifier cinq familles différentes d’enzymes. En comparant la composition précise de ces enzymes, ils ont découvert la preuve d’une longue histoire évolutive.

Les Fanzors ont probablement évolué à partir d’enzymes bactériennes coupant l’ADN guidées par l’ARN, appelées TnpB. En fait, ce sont les similitudes génétiques de Fanzors avec ces enzymes bactériennes qui ont d’abord attiré l’attention du groupe de Zhang et de l’équipe de Gootenberg et Abudayyeh.

Les connexions évolutives tracées par Gootenberg et Abudayyeh suggèrent que ces prédécesseurs bactériens de Fanzors sont probablement entrés dans les cellules eucaryotes, initiant leur évolution, plus d’une fois. Certains ont probablement été transmis par des virus, tandis que d’autres ont pu être introduits par des bactéries symbiotiques. La recherche suggère également qu’après avoir été absorbées par les eucaryotes, les enzymes ont développé des caractéristiques adaptées à leur nouvel environnement, comme un signal qui leur permet d’entrer dans un noyau cellulaire, où elles ont accès à l’ADN.

Grâce à des expériences génétiques et biochimiques menées par Kaiyi Jiang, étudiant diplômé en génie biologique, l’équipe a déterminé que les Fanzors avaient développé un site actif de coupe d’ADN distinct de celui de leurs prédécesseurs bactériens. Cela semble permettre à l’enzyme de couper sa séquence cible plus précisément. Les ancêtres du TnpB, lorsqu’ils sont ciblés sur une séquence d’ADN dans un tube à essai, s’activent et coupent d’autres séquences dans le tube ; Les Fanzors n’ont pas cette activité promiscuité. Lorsqu’ils ont utilisé un guide d’ARN pour diriger les enzymes afin qu’elles coupent des sites spécifiques dans le génome des cellules humaines, ils ont découvert que certains Fanzors étaient capables de couper ces séquences cibles avec une efficacité d’environ 10 à 20 pour cent.

Avec des recherches plus approfondies, Abudayyeh et Gootenberg espèrent qu’une variété d’outils sophistiqués d’édition du génome pourront être développés à partir de Fanzors. « Il s’agit d’une nouvelle plate-forme dotée de nombreuses fonctionnalités », explique Gootenberg.

« Ouvrir l’ensemble du monde eucaryote à ces types de systèmes guidés par l’ARN va nous donner beaucoup de travail », ajoute Abudayyeh.

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.