CRISPR a inauguré l’ère de la médecine génomique. Une gamme d’outils puissants a été développée à partir du populaire CRISPR-Cas9 pour guérir les maladies génétiques. Cependant, il y a un problème du dernier kilomètre : ces outils doivent être efficacement livrés dans chaque cellule du patient, et la plupart des Cas9 sont trop gros pour être intégrés dans des vecteurs de thérapie génomique populaires, tels que le virus associé à l’adénovirus (AAV).
Dans de nouvelles recherches, les scientifiques de Cornell expliquent comment ce problème est résolu par la nature : ils définissent avec une précision atomique comment un système dérivé de transposons édite l’ADN de manière guidée par l’ARN. Les transposons sont des éléments génétiques mobiles à l’intérieur des bactéries. Une lignée de transposon code IscB, qui est moins de la moitié de la taille de Cas9 mais également capable d’éditer l’ADN. Remplacer Cas9 par IscB résoudrait définitivement le problème de taille.
L’article des chercheurs, « Bases structurelles pour le clivage de l’ADN guidé par l’ARN par IscB-ωARN et comparaison mécaniste avec Cas9 », publié le 26 mai dans Science.
Les chercheurs ont utilisé la cryo-microscopie électronique (Cryo-EM) pour visualiser la molécule IscB-ωARN à partir d’un système de transposons en haute résolution. Ils ont pu capturer des instantanés du système dans différents états conformationnels. Ils ont même pu concevoir des variantes IscB plus minces, en supprimant les pièces non essentielles de l’IscB.
« Les applications sophistiquées de nouvelle génération nécessitent que l’éditeur de gènes soit fusionné avec d’autres enzymes et activités et la plupart des Cas9 sont déjà trop gros pour la livraison virale. Nous sommes confrontés à un embouteillage à la fin de la livraison », a déclaré l’auteur correspondant Ailong Ke, professeur de biologie moléculaire. biologie et génétique au Collège des arts et des sciences. « Si Cas9s peut être conditionné dans des vecteurs viraux qui ont été utilisés pendant des décennies dans le domaine de la thérapie génique, comme l’AAV, alors nous pouvons être sûrs qu’ils peuvent être livrés et nous pouvons concentrer la recherche exclusivement sur l’efficacité de l’outil d’édition lui-même. »
Les systèmes CRISPR-Cas9 utilisent un ARN comme guide pour reconnaître une séquence d’ADN. Lorsqu’une correspondance est trouvée, la protéine Cas9 coupe l’ADN cible au bon endroit ; il est alors possible de faire de la chirurgie au niveau de l’ADN pour réparer les maladies génétiques. Les données cryo-EM recueillies par l’équipe Cornell montrent que le système IscB-ωARN fonctionne de manière similaire, avec sa plus petite taille obtenue en remplaçant des parties de la protéine Cas9 par un ARN structuré (ωARN) qui est fusionné à l’ARN guide. En remplaçant les composants protéiques du plus grand Cas9 par de l’ARN, la protéine IscB est réduite aux centres de réaction chimique centraux qui coupent l’ADN cible.
« Il s’agit de comprendre la structure des molécules et la façon dont elles effectuent les réactions chimiques », a déclaré le premier auteur Gabriel Schuler, étudiant au doctorat dans le domaine de la microbiologie. « L’étude de ces transposons nous donne un nouveau point de départ pour générer des outils d’édition de gènes plus puissants et plus accessibles. »
On pense que les transposons – éléments génétiques mobiles – étaient les précurseurs évolutifs des systèmes CRISPR. Ils ont été découverts par la lauréate du prix Nobel Barbara McClintock.
« Les transposons sont des auto-stoppeurs génétiques spécialisés, s’intégrant et se séparant de nos génomes tout le temps », a déclaré Ke. « Les systèmes à l’intérieur des bactéries en particulier sont constamment sélectionnés – la nature a lancé les dés des milliards de fois et a mis au point des outils chirurgicaux ADN vraiment puissants, CRISPR inclus. Et maintenant, en définissant ces enzymes en haute résolution, nous pouvons puiser dans leur pouvoirs. »
Aussi petit qu’IscB soit comparé à CRISPR Cas9, les chercheurs pensent qu’ils pourront le réduire encore plus. Ils ont déjà éliminé 55 acides aminés sans affecter l’activité d’IscB ; ils espèrent rendre les futures versions de cet éditeur de génome encore plus petites et donc encore plus utiles.
Mieux comprendre la fonction de l’ARN guide compagnon était une autre motivation derrière l’étude, a déclaré le co-premier auteur Chunyi Hu, chercheur postdoctoral au Département de biologie moléculaire et de génétique. « Il y a encore beaucoup de mystère, comme pourquoi les transposons utilisent-ils un système guidé par l’ARN ? Quels autres rôles cet ARN peut-il jouer ? »
Un défi qui reste encore à relever pour les chercheurs est que si l’IscB-ωARN est extrêmement actif dans les éprouvettes, il n’est pas aussi efficace pour modifier l’ADN dans les cellules humaines. La prochaine étape de leur recherche consistera à utiliser la structure moléculaire pour explorer les possibilités qu’ils ont identifiées pour la cause de la faible activité des cellules humaines. « Nous avons quelques idées, beaucoup d’entre elles en fait, que nous sommes impatients de tester dans un proche avenir », a déclaré Schuler.
Gabriel Schuler et al, Base structurelle du clivage de l’ADN guidé par l’ARN par IscB-ωARN et comparaison mécaniste avec Cas9, Science (2022). DOI : 10.1126/science.abq7220