Les chercheurs de l'UC San Diego ont développé de nouveaux outils d'édition du génome, des éditeurs de bases orthogonales multiplexées (MOBE), qui installent efficacement plusieurs mutations ponctuelles à la fois. Cet outil améliore la compréhension et la modélisation des maladies génétiques en permettant l’installation de variantes contrôlées en laboratoire, offrant ainsi une nouvelle approche pour étudier les maladies complexes. Crédit : Issues.fr
Les MOBE, de nouveaux outils d'édition du génome de l'UC San Diego, permettent des modifications génétiques précises et simultanées, améliorant ainsi la modélisation des maladies et le développement thérapeutique.
Le génome humain se compose d’environ 3 milliards de paires de bases et les humains sont identiques à 99,6 % dans leur constitution génétique. Les 0,4 % restants représentent les différences entre les individus. Des combinaisons spécifiques de mutations dans ces paires de bases fournissent des indices essentiels sur les causes de problèmes de santé complexes, notamment les maladies cardiaques et les maladies neurodégénératives comme la schizophrénie.
Les méthodes traditionnelles de modélisation ou de correction des mutations dans les cellules vivantes sont particulièrement inefficaces, en particulier lors de l’installation simultanée de plusieurs mutations ponctuelles dans le génome. Cependant, des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego ont développé de nouveaux outils d'édition du génome appelés éditeurs de bases orthogonales multiplexées (MOBE) qui peuvent installer efficacement plusieurs mutations ponctuelles à la fois. La recherche, dirigée par le professeur adjoint de chimie et de biochimie Alexis Komor, a été publiée dans Biotechnologie naturelle.
Le rôle des variantes de nucléotides uniques
Les chercheurs se sont concentrés sur la comparaison des génomes qui diffèrent par un seul changement de lettre dans le ADN. Ces lettres – C (cytosine), T (thymine), G (guanine), A (adénosine) – sont appelées bases. Lorsqu’une personne a une base C, une autre personne peut avoir une base T. Il s’agit de variantes nucléotidiques uniques (SNV) ou de mutations ponctuelles, une personne peut avoir 4 à 5 millions de variantes. Si certaines variantes sont inoffensives, d’autres sont nocives et il s’agit souvent d’une combinaison qui confère une maladie.
Les éditeurs de base orthogonaux multiplexés (MOBE) nouvellement développés minimisent les modifications indésirables tout en atteignant des niveaux élevés d'efficacité. Crédit : laboratoire Alexis Komor / UC San Diego
Défis de la modélisation des maladies génétiques
L’un des problèmes liés à l’utilisation du génome dans la modélisation des maladies est le grand nombre de variations possibles. Si les scientifiques essayaient de déterminer quelles mutations génétiques sont responsables des maladies cardiaques, ils pourraient décoder les génomes d’une cohorte qui souffrait tous d’une maladie cardiaque, mais le nombre de variations entre deux personnes rend très difficile la détermination de la combinaison de variations à l’origine de la maladie. .
« Il y a un problème dans l’interprétation des variantes génétiques. En fait, la plupart des variantes identifiées ne sont pas classées cliniquement, nous ne savons donc même pas si elles sont pathogènes ou bénignes », a déclaré Quinn T. Cowan, titulaire d'un récent doctorat. diplômé du département de chimie et de biochimie de l'université et premier auteur de l'article. « Notre objectif était de créer un outil pouvant être utilisé dans la modélisation des maladies en installant plusieurs variantes dans un laboratoire contrôlé où elles peuvent être étudiées plus en détail. »
Évolution des outils d'édition génétique
Pour comprendre pourquoi les MOBE ont été créés, nous devons comprendre les limites de l’outil traditionnel d’édition de gènes CRISPR-Cas9. CRISPR-Cas9 utilise un guide ARNqui agit comme un GPS signal qui va directement à l’emplacement génomique que vous souhaitez modifier. Cas9 est l'enzyme de liaison à l'ADN qui coupe les deux brins de l'ADN, créant ainsi une cassure complète.
Bien que relativement simples, les cassures double brin peuvent être toxiques pour les cellules. Ce type de modification génétique peut également conduire à des indels – aléatoires dansles prestations et deletions – où la cellule n'est pas capable de se réparer parfaitement. La modification de plusieurs gènes dans CRISPR-Cas9 multiplie les risques.
Au lieu de CRISPR, le laboratoire de Komor utilise une technique d'édition de base qu'elle a développée, qui modifie chimiquement l'ADN, bien qu'un seul type d'édition (C vers T ou A vers G, par exemple) puisse être effectué à la fois. Ainsi, plutôt que des ciseaux qui découpent une section entière d’un coup, l’édition de base efface et remplace une lettre à la fois. C’est plus lent, mais plus efficace et moins nocif pour les cellules.
Introduction des MOBE
L’application simultanée de deux éditeurs de base ou plus (changer un C en T à un endroit et un A en G à un autre endroit du génome) permet une meilleure modélisation des maladies polygéniques – celles qui surviennent en raison de plus d’une variante génétique. Cependant, auparavant, aucune technologie ne pouvait appliquer efficacement plusieurs modifications sans « diaphonie » d’ARN guide – des modifications involontaires.
Les MOBE de Cowan utilisent des structures d'ARN appelées aptamères – de petites boucles d'ARN qui se lient à des protéines spécifiques – pour recruter des enzymes modificatrices de bases vers des emplacements génomiques spécifiques, permettant l'édition simultanée de plusieurs sites avec une efficacité élevée et une incidence plus faible de diaphonie.
Preuve de principe et applications futures
Ce système est nouveau et c'est la première fois que quelqu'un utilise des aptamères pour recruter des ABE (éditeurs de base d'adénosine) en combinaison avec des CBE (éditeurs de base de cytosine) selon un schéma orthogonal pour créer les MOBE.
Les différences sont frappantes : lorsque CBE et ABE sont administrés ensemble sans utiliser MOBE, la diaphonie se produit jusqu'à 30 % du temps. Avec MOBE, la diaphonie est inférieure à 5 %, tout en atteignant une efficacité de conversion de 30 % des changements de base souhaités.
L'étude était une preuve de principe pour tester la faisabilité du système MOBE, qui a obtenu un brevet provisoire. Pour les tester encore plus, l’équipe a mené plusieurs études de cas avec des maladies réelles, dont le syndrome de Kallmann, un trouble hormonal rare. Leurs expériences ont révélé que les systèmes MOBE pourraient être utilisés pour modifier efficacement les lignées cellulaires pertinentes de certaines maladies polygéniques.
« Nous sommes en train de mettre les plasmides sur AddGene afin que tout le monde puisse y accéder librement. Nous espérons que d’autres chercheurs utiliseront les MOBE pour modéliser des maladies génétiques, apprendre comment elles se manifestent et, espérons-le, créer des thérapies efficaces », a déclaré Cowan.
Cette recherche a été financée en partie par le Instituts nationaux de la santé (1R35GM138317, T32 GM008326 et T32 GM112584) et Research Corporation for Science Advancement (28385).
Liste complète des auteurs : Quinn T. Cowan, Sifeng Gu, Wanjun Gu, Brodie L. Ranzaau, Tatum S. Simonson et Alexis C. Komor (tous UC San Diego).
