Les scientifiques ont détaillé la structure tridimensionnelle de l’un des plus petits systèmes CRISPR-Cas13 connus, CRISPR-Cas13bt3, utilisé pour la modification de l’ARN, qui fonctionne différemment des autres protéines de la même famille. Cette découverte leur a permis d’améliorer la précision de l’outil, permettant un meilleur accès et une meilleure distribution aux sites d’édition cibles, ce qui promet une lutte plus efficace contre les virus en ciblant l’ARN.
Une modélisation 3D détaillée a aidé les scientifiques de Rice à améliorer la précision du système.
Petit et précis : ce sont les caractéristiques idéales des systèmes CRISPR, la technologie lauréate du prix Nobel utilisée pour éditer des acides nucléiques comme ARN et ADN.
Les scientifiques de l’Université Rice ont décrit en détail la structure tridimensionnelle de l’un des plus petits systèmes CRISPR-Cas13 connus utilisés pour déchiqueter ou modifier l’ARN et ont utilisé leurs découvertes pour perfectionner l’outil afin d’améliorer sa précision. Selon une étude publiée dans Communications naturellesla molécule fonctionne différemment des autres protéines de la même famille.
« Il existe différents types de systèmes CRISPR, et celui sur lequel nos recherches se sont concentrées pour cette étude s’appelle CRISPR-Cas13bt3 », a déclaré Yang Gao, professeur adjoint de biosciences et chercheur à l’Institut de prévention et de recherche sur le cancer du Texas qui a contribué à diriger l’étude. . « Ce qui est unique, c’est qu’il est très petit. Habituellement, ces types de molécules contiennent environ 1 200 acides aminésalors que celui-ci n’en compte qu’environ 700, c’est donc déjà un avantage.
Emmanuel Osikpa (de gauche à droite) et Xiangyu Deng. Crédit : (Photo de Jeff Fitlow/Rice University
Une taille réduite est un plus car elle permet un meilleur accès et une meilleure diffusion aux sites d’édition de cibles, a déclaré Yang Gao.
Contrairement aux systèmes CRISPR associés à la protéine Cas9 – qui cible généralement l’ADN – les systèmes associés à Cas13 ciblent l’ARN, le « manuel d’instructions » intermédiaire qui traduit l’information génétique codée dans l’ADN en un plan d’assemblage de protéines.
Les chercheurs espèrent que ces systèmes de ciblage d’ARN pourront être utilisés pour combattre les virus, qui codent généralement leurs informations génétiques en utilisant l’ARN plutôt que l’ADN.
« Mon laboratoire est un laboratoire de biologie structurale », a déclaré Yang Gao. « Ce que nous essayons de comprendre, c’est comment fonctionne ce système. Une partie de notre objectif ici était donc de pouvoir le voir dans un espace tridimensionnel et de créer un modèle qui nous aiderait à expliquer son mécanisme.
Modèle d’une molécule CRISPR-Cas13bt3 minimale générée avec un microscope cryoélectronique. L’ARN à reconnaître et à cliver est coloré en bleu clair, tandis que les ciseaux sont formés par les domaines de couleur magenta et cyan. Les deux boucles de contrôle du CRISPR-Cas13bt3 sont représentées en vert et rouge. Crédit : Image fournie par le laboratoire Yang Gao/Rice University
Les chercheurs ont utilisé un microscope cryoélectronique pour cartographier la structure du système CRISPR, en plaçant la molécule sur une fine couche de glace et en projetant un faisceau d’électrons à travers celle-ci pour générer des données qui ont ensuite été traitées dans un modèle tridimensionnel détaillé. Les résultats les ont surpris.
« Nous avons découvert que ce système déploie un mécanisme différent de celui des autres protéines de la famille Cas13 », a déclaré Yang Gao. « D’autres protéines de cette famille ont deux domaines initialement séparés et, une fois le système activé, ils se réunissent – un peu comme les bras d’un ciseau – et effectuent une coupe.
« Ce système est totalement différent : les ciseaux sont déjà là, mais ils doivent s’accrocher au brin d’ARN au bon site cible. Pour ce faire, il utilise un élément de liaison sur ces deux boucles uniques qui relient les différentes parties de la protéine entre elles.
Emmanuel Osikpa (de gauche à droite), Xue Sherry Gao, Xiangyu Deng, Jamie Smith, Seye J. Oladeji et Yang Gao. Crédit : Photo de Jeff Fitlow/Rice University
Xiangyu Deng, chercheur postdoctoral au laboratoire de Yang Gao, a déclaré qu’il était « vraiment difficile de déterminer la structure du complexe protéine-ARN ».
« Nous avons dû effectuer de nombreux dépannages pour rendre le complexe protéine et ARN plus stable afin de pouvoir le cartographier », a déclaré Deng.
Une fois que l’équipe a compris le fonctionnement du système, les chercheurs du laboratoire de l’ingénieur chimiste et biomoléculaire Xue Sherry Gao sont intervenus pour peaufiner le système afin d’augmenter sa précision en testant son activité et sa spécificité dans des cellules vivantes.
« Nous avons constaté que dans les cultures cellulaires, ces systèmes étaient capables de cibler une cible beaucoup plus facilement », a déclaré Sherry Gao, professeur adjoint Ted N. Law de génie chimique et biomoléculaire. « Ce qui est vraiment remarquable dans ce travail, c’est que les informations détaillées sur la biologie structurale ont permis une détermination rationnelle des efforts d’ingénierie nécessaires pour améliorer la spécificité de l’outil tout en maintenant une activité d’édition d’ARN élevée sur la cible. »
Xiangyu Deng. Crédit : Photo de Jeff Fitlow/Rice University
Emmanuel Osikpa, assistant de recherche au laboratoire Xue Gao, a effectué des tests cellulaires qui ont confirmé que le Cas13bt3 modifié ciblait un motif d’ARN désigné avec une haute fidélité.
« J’ai pu montrer que ce Cas13bt3 était plus performant que le système d’origine », a déclaré Osikpa. « L’étude complète de Xiangyu sur la structure met en évidence l’avantage d’une approche ciblée et structurellement guidée par rapport au criblage par mutagenèse aléatoire à grande échelle et coûteux. »
La recherche a été soutenue par la Welch Foundation (C-2033-20200401, C-1952), le Cancer Prevention and Research Institute of Texas (RR190046), la National Science Foundation (2031242) et le fonds de démarrage Rice.
