Visualisation du mécanisme de recombinase de pont. Crédit : Visual Science
Les scientifiques de l'Arc Institute ont découvert le mécanisme de recombinase de pont, un outil révolutionnaire qui permet une programmation complète ADN réarrangements.
Leurs conclusions, détaillées dans un récent rapport Nature publication, est la première recombinase d'ADN qui utilise un gène non codant ARN pour la sélection spécifique de séquences de molécules d'ADN cibles et donneuses. Ce pont ARN est programmable, ce qui permet à l'utilisateur de spécifier n'importe quelle séquence cible génomique souhaitée et n'importe quelle molécule d'ADN donneuse à insérer.
La recherche a été développée en collaboration avec les laboratoires de Silvana Konermann, chercheuse principale de l'Arc Institute et professeure adjointe de biochimie à l'université de Stanford, et d'Hiroshi Nishimasu, professeur de biologie structurelle à l'université de Tokyo.
Visualisation du mécanisme de recombinase de pont mettant en évidence les boucles de liaison donneur et cible. Crédit : Visual Science
Une nouvelle ère de programmation génétique
« Le système d'ARN pont est un mécanisme fondamentalement nouveau pour la programmation biologique », a déclaré le Dr Patrick Hsu, auteur principal de l'étude et chercheur principal de l'Arc Institute. Université de Californie, Berkeley Professeur adjoint de bio-ingénierie. « La recombinaison en pont peut modifier universellement le matériel génétique par l'insertion, l'excision, l'inversion de séquences spécifiques et plus encore, permettant ainsi un traitement de texte pour le génome vivant au-delà de CRISPR. »
Le système de recombinaison de ponts est issu des éléments de la séquence d’insertion 110 (IS110), l’un des innombrables types d’éléments transposables – ou « gènes sauteurs » – qui se coupent et se collent pour se déplacer à l’intérieur et entre les génomes microbiens. Les éléments transposables sont présents dans toutes les formes de vie et ont évolué pour devenir des machines professionnelles de manipulation de l’ADN afin de survivre. Les éléments IS110 sont très minimes, constitués uniquement d’un gène codant pour l’enzyme recombinase, ainsi que de segments d’ADN flanquants qui sont restés jusqu’à présent un mystère.
Visualisation du mécanisme de recombinase de pont mettant en évidence l'ADN du transposon et le site cible génomique. Crédit : Visual Science
Mécanisme avancé de pont d'ARN
Le laboratoire de Hsu a découvert que lorsque l’IS110 s’excise d’un génome, les extrémités non codantes de l’ADN se rejoignent pour produire une molécule d’ARN – l’ARN pont – qui se replie en deux boucles. Une boucle se lie à l’élément IS110 lui-même, tandis que l’autre boucle se lie à l’ADN cible où l’élément sera inséré. L’ARN pont est le premier exemple d’une molécule guide bispécifique, spécifiant la séquence de l’ADN cible et de l’ADN donneur par des interactions d’appariement de bases.
Une équipe de chercheurs de l'Institut Arc a découvert le mécanisme de recombinase de pont, un outil précis et puissant pour recombiner et réarranger l'ADN de manière programmable. Allant bien au-delà des ciseaux génétiques programmables comme CRISPR, le mécanisme de recombinase de pont permet aux scientifiques de spécifier non seulement l'ADN cible à modifier, mais aussi le matériel donneur à reconnaître, afin qu'ils puissent insérer du nouveau matériel génétique fonctionnel, couper l'ADN défectueux ou inverser deux séquences d'intérêt. Découvrez-en plus dans cette courte vidéo visualisant les aspects clés du mécanisme de recombinaison de pont. Crédit : Visual Science
Chaque boucle de l'ARN pont est programmable indépendamment, ce qui permet aux chercheurs de mélanger et d'associer n'importe quelle séquence d'ADN cible et donneuse d'intérêt. Cela signifie que le système peut aller bien au-delà de son rôle naturel qui consiste à insérer l'élément IS110 lui-même, en permettant à la place l'insertion de n'importe quelle cargaison génétique souhaitable – comme une copie fonctionnelle d'un gène défectueux provoquant une maladie – dans n'importe quel emplacement génomique. Dans ce travail, l'équipe a démontré une efficacité d'insertion de plus de 60 % d'un gène souhaité dans Escherichia coli avec plus de 94 % de spécificité pour la localisation génomique correcte.
« Ces ARN ponts programmables distinguent IS110 des autres recombinases connues, qui n’ont pas de composant ARN et ne peuvent pas être programmées », a déclaré Nick Perry, co-auteur principal et étudiant diplômé en bio-ingénierie à l’Université de Californie à Berkeley. « C’est comme si l’ARN pont était un adaptateur secteur universel qui rendrait IS110 compatible avec n’importe quelle prise. »
Patrick Hsu, Nick Perry et Matt Durrant discutent du mécanisme de recombinase à pont récemment découvert. Crédit : Ray Rudolph
Recherche collaborative et implications futures
La découverte du laboratoire Hsu est complétée par leur collaboration avec le laboratoire du Dr Hiroshi Nishimasu de l'Université de Tokyo, également publiée le 26 juin dans NatureLe laboratoire de Nishimasu a utilisé la cryomicroscopie électronique pour déterminer les structures moléculaires du complexe ARN-pont recombinase lié à l'ADN cible et au donneur, en progressant séquentiellement à travers les étapes clés du processus de recombinaison.
Januka Athukoralage, Nicolas Perry, Silvana Konermann, Matthew Durrant, Patrick Hsu, James Pai et Aditya Jangid. Crédits : Ray Rudolph
Grâce à des recherches et des développements plus poussés, le mécanisme de pont promet d’ouvrir la voie à une troisième génération de systèmes guidés par l’ARN, allant au-delà des mécanismes de coupe de l’ADN et de l’ARN de CRISPR et de l’interférence ARN (ARNi) pour offrir un mécanisme unifié de réarrangements programmables de l’ADN. Essentielle pour le développement ultérieur du système de recombinaison de pont pour la conception du génome des mammifères, la recombinase de pont relie les deux brins d’ADN sans libérer les fragments d’ADN coupés, contournant ainsi une limitation clé des technologies actuelles de pointe d’édition du génome.
« Le mécanisme de recombinaison par pont résout certains des défis les plus fondamentaux auxquels sont confrontées les autres méthodes d’édition du génome », a déclaré Matthew Durrant, codirecteur de la recherche et scientifique senior chez Arc. « La capacité de réarranger de manière programmable deux molécules d’ADN ouvre la voie à des avancées dans la conception du génome. »
