Une percée dans la recherche CRISPR pourrait conduire à une édition de gènes plus efficace et plus sûre

Il y a 10 ans, nous avons assisté à une percée dans la biologie moderne.

Un scientifique américain a découvert que la manipulation de la protéine Cas9 aboutissait à une technologie génétique digne d’un film de science-fiction : CRISPR.

Considérez-le comme une paire de ciseaux moléculaires capables de couper et d’éditer l’ADN des humains, des animaux, des plantes, des bactéries et des virus.

Le potentiel est énorme et couvre tout, de la suppression des maladies héréditaires à la production de cultures capables de résister au changement climatique.

Cependant, comme toute autre nouvelle technologie, CRISPR a eu ses défis. L’un des principaux défis a été de rendre la technologie aussi efficace que possible et de s’assurer que les ciseaux ne coupent que là où nous le voulons.

« Nous avons décrit de nouveaux mécanismes derrière CRISPR »

Deux nouvelles études de l’Université de Copenhague menées en collaboration avec des chercheurs de l’Université d’Aarhus peuvent aider à résoudre ces problèmes.

« Nous avons décrit de nouveaux mécanismes derrière CRISPR », déclare le professeur de bioinformatique Jan Gorodkin du Département des sciences vétérinaires et animales.

« Nous sommes maintenant en mesure d’expliquer pourquoi certaines cibles, c’est-à-dire des coupures involontaires ailleurs dans le génome, sont plus efficaces que des cibles ciblées, c’est-à-dire la coupure à l’endroit prévu. Nous avons également appris comment différentes séquences d’ADN autour du sur -la cible peut avoir un impact sur l’efficacité avec laquelle la protéine Cas9 coupe l’ADN. Espérons que cette connaissance ouvrira la voie à une utilisation plus efficace et plus sûre de CRISPR.

Alors, comment fonctionne CRISPR ? Tout d’abord, un scientifique concevra un morceau d’ARN synthétique appelé ARN guide. Celui-ci est ensuite attaché à la protéine Cas9 qui effectuera la tâche de couper l’ADN. Le guide RNA scouts pour la section ADN correspondante. Une fois que l’ARN guide a trouvé le bon endroit, Cas9 coupera la chaîne d’ADN. Maintenant, le scientifique est capable d’insérer n’importe quel morceau d’ADN synthétique dans l’endroit libéré.

Si Cas9 et l’ARN guide atteignent la cible, les scientifiques s’y réfèrent comme étant sur la cible ; s’ils touchent un autre endroit, ils sont hors cible.

Aujourd’hui, CRISPR est dans le contexte de la médecine principalement utilisé pour étudier le fonctionnement des gènes et des médicaments en laboratoire et n’est pas encore largement utilisé dans le traitement humain. Cependant, à terme, l’idée est d’utiliser CRISPR dans le traitement de certaines maladies génétiques.

Le mystère des hors cibles efficaces résolu

Dans l’une des deux nouvelles études, les chercheurs ont cherché à déterminer la meilleure façon pour l’ARN guide de se fixer à l’ADN, rendant la coupe aussi efficace que possible, car si la coupe n’est pas suffisamment efficace, les scientifiques ne pourront pas modifier l’ADN.

« Nous savons déjà que CRISPR ne fonctionne pas vraiment lorsque la liaison entre l’ARN guide et l’ADN est trop faible. Maintenant, nous avons appris qu’une liaison trop forte est également problématique », déclare Gorodkin. « Dans les deux cas, les ciseaux à gènes sont trop faibles et inefficaces. »

Les chercheurs ont alors identifié un intervalle où la liaison entre l’ARN guide et l’ADN n’est ni trop forte ni trop faible, mais juste ce qu’il faut, ce qui donne des ciseaux d’une netteté parfaite.

« Il est intéressant de noter que cette observation peut également être utilisée pour expliquer pourquoi certaines cibles hors cible montrent une activité CRISPR plus forte que leurs cibles prévues, c’est-à-dire pourquoi les ciseaux sont plus tranchants pour certaines cibles hors cible que pour les cibles », explique Gorodkin. .

« C’est parce que des cibles trop fortes ne se situent pas dans le bon intervalle d’énergie de liaison. Mais si vous supprimez une partie de l’énergie de ces liaisons fortes, ce qui se passe sur les sites hors cible, vous pouvez entrer dans l’intervalle à droite, ce qui donne un effet plus puissant et donc un ciseau de mise en forme sur les hors-cibles. »

L’étude a également identifié la position optimale de la protéine Cas9 pour obtenir la coupe la plus efficace.

Avant que Cas9 soit capable de couper l’ADN, la protéine doit se lier à une partie spécifique de la chaîne d’ADN. L’ADN se compose de quatre nucléotides différents : A, C, G et T, et Cas9 ne peut se lier qu’à une séquence avec deux nucléotides G consécutifs.

Maintenant, les chercheurs ont identifié l’effet sur Cas9 de plusieurs nucléotides G consécutifs – une situation où il est difficile d’atteindre la cible car tous les deux G consécutifs sont en compétition pour la liaison avec Cas9.

« Lorsqu’il y a plusieurs G » en amont « , c’est-à-dire avant la séquence à laquelle Cas9 était censé se lier, la coupe sera plus efficace. Mais lorsqu’il y a plusieurs G » en aval « , c’est-à-dire après la séquence prévue pour Cas9 se lier, la coupe est moins efficace », explique la Postdoc Giulia Corsi.

Corsi espère que les nouvelles connaissances sur le fonctionnement de CRISPR faciliteront l’identification de la position correcte de Cas9 à l’avenir. Cela devrait également aider à minimiser le nombre d’effets secondaires potentiels.

« Nous aimerions être en mesure de prédire la coupure, d’améliorer l’édition des cibles et d’éliminer les hors-cibles, qui compliquent le développement de nouveaux médicaments en nécessitant beaucoup de ressources et peuvent entraîner des effets secondaires qui se produisent lorsque vous coupez le mauvais gène », déclare Corse.

Les cibles hors cible peuvent être nuisibles et elles sont sous-étudiées

La deuxième étude porte sur les hors-cibles. Ici, les chercheurs ont développé une méthode pour mesurer l’efficacité des hors-cibles.

Pour contrôler la qualité d’une expérience CRISPR, les scientifiques sélectionnent généralement un plus petit nombre de cibles non prévues par ordinateur pour les tests. En utilisant la nouvelle technologie, cependant, ils pourront tester un nombre beaucoup plus important de non-cibles, ce qui devrait accélérer le développement de nouveaux médicaments avec moins d’effets secondaires.

En utilisant la nouvelle méthode, les chercheurs ont testé 8 000 cibles potentielles hors cible pour 110 ARN guides CRISPR en cours de traduction en médecine humaine. Ils ont constaté qu’environ 10 % des 8 000 cibles potentiellement hors cible étaient en fait hors cible.

« Nous avons trouvé beaucoup plus de cibles hors cible que nous n’aurions pu en utilisant les méthodes existantes », explique Gorodkin.

De plus, 37 de ces hors-cibles sont localisés dans des gènes liés au cancer, ce qui augmente le risque que le développement de médicaments devienne plus difficile, voire impossible. De plus, des coupures involontaires dans ces gènes peuvent même entraîner le cancer comme effet secondaire possible.

« Les chercheurs doivent être en mesure d’identifier ces hors-cibles et de sélectionner d’autres ARN-guides qui n’ont pas ceux-ci ou tout autre hors-cible critique », explique Gorodkin.

Grand besoin de plus de recherche sur les hors-cibles

Selon Gorodkin, cela montre qu’il y a un grand besoin de plus de recherche sur les hors-cibles.

« Je dirais – et certains peuvent être en désaccord – que les hors-cibles sont extrêmement sous-étudiées. J’ai l’impression que les études existantes sur l’édition de gènes manquent souvent des outils complets et des analyses nécessaires pour montrer qu’il n’y a pas d’effets hors-cible dans leurs études. , » il dit.

Selon Jan Gorodkin, la nouvelle méthode aura un grand impact à l’avenir pour mieux vérifier les études hors cible.

« Au cours des 10 dernières années, nous avons fait un grand pas vers la possibilité d’éditer le génome. Nous sommes maintenant en train d’améliorer nos méthodes, de les rendre plus sûres et plus efficaces. Ces dernières soutiennent également la transition verte, car les modifications du génome, par exemple des cellules utilisées dans la production, peut conduire à une utilisation plus rentable des ressources. »

Les deux études sont publiées dans Communication Nature.