Les neuroscientifiques élargissent la boîte à outils CRISPR avec une nouvelle enzyme Cas7-11 compacte

L’année dernière, des chercheurs du McGovern Institute for Brain Research du MIT ont découvert et caractérisé Cas7-11, la première enzyme CRISPR capable d’effectuer des coupes précises et guidées sur des brins d’ARN sans endommager les cellules au cours du processus. Maintenant, en collaboration avec des collaborateurs de l’Université de Tokyo, la même équipe a révélé que Cas7-11 peut être réduit à une version plus compacte, ce qui en fait une option encore plus viable pour éditer l’ARN à l’intérieur des cellules vivantes. Le nouveau Cas7-11 compact a été décrit le 27 mai dans la revue Cellule ainsi qu’une analyse structurelle détaillée de l’enzyme d’origine.

« Lorsque nous avons examiné la structure, il était clair qu’il y avait des pièces qui n’étaient pas nécessaires, que nous pouvions en fait retirer », déclare Omar Abudayyeh, chercheur scientifique et boursier McGovern, qui a dirigé le nouveau travail avec Jonathan Gootenberg, chercheur scientifique et boursier McGovern. et son collaborateur Hiroshi Nishimasu de l’Université de Tokyo. « Cela rend l’enzyme suffisamment petite pour qu’elle s’intègre dans un seul vecteur viral pour des applications thérapeutiques. »

Les auteurs, qui incluent également l’ancien post-doctorant de l’Institut McGovern Nathan Zhou et Kazuki Kato de l’Université de Tokyo, voient la nouvelle structure tridimensionnelle de Cas7-11 comme une ressource riche pour répondre aux questions sur la biologie fondamentale des enzymes et révéler d’autres façons de modifier sa fonction à l’avenir.

Cibler l’ARN

Au cours de la dernière décennie, la technologie d’édition du génome CRISPR-Cas9 a donné aux chercheurs la possibilité de modifier les gènes à l’intérieur des cellules humaines, une aubaine pour la recherche fondamentale et le développement de thérapies pour inverser les mutations génétiques pathogènes. Mais CRISPR-Cas9 ne fonctionne que pour modifier l’ADN, et pour certaines recherches et à des fins cliniques, l’édition de l’ARN est plus efficace ou utile.

Une cellule conserve son ADN à vie et transmet une copie identique aux cellules filles lorsqu’elle se duplique, de sorte que toute modification de l’ADN est relativement permanente. Cependant, l’ARN est une molécule plus transitoire, transcrite à partir de l’ADN et dégradée peu de temps après.

« Il y a beaucoup de points positifs à pouvoir modifier l’ADN de manière permanente, en particulier lorsqu’il s’agit de traiter une maladie génétique héréditaire », déclare Gootenberg. « Mais pour une infection, une blessure ou une autre maladie temporaire, il est plus logique de pouvoir modifier temporairement un gène grâce au ciblage de l’ARN. »

Jusqu’à ce qu’Abdayyeh, Gootenberg et leurs collègues découvrent et caractérisent Cas7-11, la seule enzyme capable de cibler l’ARN avait un effet secondaire désordonné ; lorsqu’elle a reconnu un gène particulier, l’enzyme – Cas13 – a commencé à découper tout l’ARN qui l’entourait. Cette propriété rend Cas13 efficace pour les tests de diagnostic, où il est utilisé pour détecter la présence d’un morceau d’ARN, mais peu utile pour la thérapeutique, où des coupures ciblées sont nécessaires.

La découverte de Cas7-11 a ouvert les portes à une forme plus précise d’édition d’ARN, analogue à l’enzyme Cas9 pour l’ADN. Cependant, la protéine massive Cas7-11 était trop grosse pour tenir dans un seul vecteur viral – la coquille vide d’un virus que les chercheurs utilisent généralement pour introduire des machines d’édition de gènes dans les cellules du patient.

Aperçu structurel

Pour déterminer la structure globale de Cas7-11, Abudayyeh, Gootenberg et Nishimasu ont utilisé la microscopie cryoélectronique, qui fait briller des faisceaux d’électrons sur des échantillons de protéines congelées et mesure la façon dont les faisceaux sont transmis. Les chercheurs savaient que Cas7-11 ressemblait à un amalgame de cinq enzymes Cas distinctes, fusionnées en un seul gène, mais ne savaient pas exactement comment ces parties se repliaient et s’emboîtaient.

« La chose vraiment fascinante à propos de Cas7-11, du point de vue de la biologie fondamentale, c’est que ce devraient être toutes ces pièces distinctes qui se rejoignent, mais à la place, vous avez une fusion en un seul gène », explique Gootenberg. « Nous ne savions vraiment pas à quoi cela ressemblerait. »

La structure de Cas7-11, prise en flagrant délit de liaison à la fois de son brin d’ARNt cible et de l’ARN guide, qui dirige cette liaison, a révélé comment les morceaux se sont assemblés et quelles parties de la protéine étaient essentielles pour reconnaître et couper l’ARN. Ce type d’informations structurelles est essentiel pour déterminer comment faire en sorte que Cas7-11 effectue des tâches ciblées à l’intérieur des cellules humaines.

La structure a également éclairé une section de la protéine qui ne servait aucun rôle fonctionnel apparent. Cette découverte a suggéré que les chercheurs pourraient le supprimer, en réorganisant Cas7-11 pour le rendre plus petit sans lui enlever sa capacité à cibler l’ARN. Abudayyeh et Gootenberg ont testé l’impact de la suppression de différents éléments de cette section, ce qui a abouti à une nouvelle version compacte de la protéine, baptisée Cas7-11S. Avec Cas7-11S en main, ils ont emballé le système dans un seul vecteur viral, l’ont livré dans des cellules de mammifères et ont ciblé efficacement l’ARN.

L’équipe prévoit maintenant de futures études sur d’autres protéines qui interagissent avec Cas7-11 dans la bactérie dont elle est issue, et espère également continuer à travailler à l’utilisation de Cas7-11 pour des applications thérapeutiques.

« Imaginez que vous puissiez avoir une thérapie génique à ARN, et lorsque vous la prenez, elle modifie votre ARN, mais lorsque vous arrêtez de la prendre, cette modification s’arrête », explique Abudayyeh. « Ce n’est vraiment que le début de l’activation de cet ensemble d’outils. »

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 au MIT.