Les chercheurs de Stanford ont conçu un nouveau système CRISPR miniature qui devrait être plus facile à introduire dans les cellules humaines.
Les bioingénieurs ont réutilisé un système CRISPR « non fonctionnel » pour créer une version plus petite de l’outil d’ingénierie du génome. Sa petite taille devrait faciliter l’administration dans les cellules, les tissus et le corps humains pour la thérapie génique.
L’analogie commune pour l’édition de gènes CRISPR est qu’elle fonctionne comme des ciseaux moléculaires, coupant des sections sélectionnées de ADN. Stanley Qi, professeur adjoint de bio-ingénierie à l’Université de Stanford, aime cette analogie, mais il pense qu’il est temps de réimaginer CRISPR comme un couteau suisse.
« CRISPR peut être aussi simple qu’un cutter, ou plus avancé qu’un régulateur, un éditeur, une étiqueteuse ou un imageur. De nombreuses applications émergent de ce domaine passionnant », a déclaré Qi, qui est également professeur adjoint de biologie chimique et des systèmes à la Stanford School of Medicine et chercheur à l’institut Stanford ChEM-H.
Les nombreux systèmes CRISPR différents utilisés ou testés cliniquement pour la thérapie génique des maladies de l’œil, du foie et du cerveau restent cependant limités dans leur portée car ils souffrent tous du même défaut : ils sont trop gros et, par conséquent, trop difficile à délivrer dans les cellules, les tissus ou les organismes vivants.
Dans un article publié le 3 septembre dans Cellule moléculaire, Qi et ses collaborateurs annoncent ce qu’ils considèrent comme un grand pas en avant pour CRISPR : une solution efficace, polyvalente, mini Système CRISPR. Alors que les systèmes CRISPR couramment utilisés – avec des noms comme Cas9 et Cas12a désignant diverses versions de protéines associées à CRISPR (Cas) – sont constitués d’environ 1000 à 1500 acides aminés, leur « CasMINI » en compte 529.
Les chercheurs ont confirmé lors d’expériences que CasMINI pouvait supprimer, activer et modifier le code génétique, tout comme ses homologues plus costauds. Sa petite taille signifie qu’il devrait être plus facile à administrer dans les cellules humaines et le corps humain, ce qui en fait un outil potentiel pour traiter diverses affections, notamment les maladies oculaires, la dégénérescence des organes et les maladies génétiques en général.
Efforts persistants
Pour rendre le système aussi petit que possible, les chercheurs ont décidé de commencer par la protéine CRISPR Cas12f (également connue sous le nom de Cas14), car elle ne contient qu’environ 400 à 700 acides aminés. Cependant, comme d’autres protéines CRISPR, Cas12f provient naturellement d’archaea – des organismes unicellulaires – ce qui signifie qu’il n’est pas bien adapté aux cellules de mammifères, sans parler des cellules ou des corps humains. Seules quelques protéines CRISPR sont connues pour fonctionner dans les cellules de mammifères sans modification. Malheureusement, CAS12f n’en fait pas partie. Cela en fait un défi attrayant pour les bio-ingénieurs comme Qi.
« Nous avons pensé : ‘D’accord, des millions d’années d’évolution n’ont pas été capables de transformer ce système CRISPR en quelque chose qui fonctionne dans le corps humain. Pouvons-nous changer cela en seulement un ou deux ans ?’ », a déclaré Qi. « À ma connaissance, nous avons, pour la première fois, transformé un CRISPR non fonctionnel en un CRISPR fonctionnel. »
En effet, Xiaoshu Xu, chercheur postdoctoral au laboratoire Qi et auteur principal de l’article, n’a vu aucune activité du Cas12f naturel dans les cellules humaines. Xu et Qi ont émis l’hypothèse que le problème était que l’ADN du génome humain est plus compliqué et moins accessible que l’ADN microbien, ce qui rend difficile pour Cas12f de trouver sa cible dans les cellules. En examinant la structure prédite par calcul du système Cas12f, elle a soigneusement choisi environ 40 mutations dans la protéine qui pourraient potentiellement contourner cette limitation et a établi un pipeline pour tester de nombreuses variantes de protéines à la fois. Une variante fonctionnelle rendrait, en théorie, une cellule humaine verte en activant la protéine fluorescente verte (GFP) dans son génome.
“Au début, ce système n’a pas fonctionné du tout pendant un an”, a déclaré Xu. “Mais après des itérations de bio-ingénierie, nous avons vu certaines protéines modifiées commencer à s’activer, comme par magie. Cela nous a fait vraiment apprécier la puissance de la biologie synthétique et de la bio-ingénierie. »
Les premiers résultats positifs étaient modestes, mais ils ont excité Xu et l’ont encouragée à aller de l’avant car cela signifiait que le système fonctionnait. Au cours de nombreuses itérations supplémentaires, elle a pu améliorer davantage les performances de la protéine. “Nous avons commencé par voir seulement deux cellules montrant un signal vert, et maintenant après l’ingénierie, presque toutes les cellules sont vertes au microscope”, a déclaré Xu.
« À un moment donné, j’ai dû l’arrêter », se souvient Qi. « J’ai dit ‘C’est bon pour l’instant. Vous avez fait un très bon système. Nous devrions réfléchir à la façon dont cette molécule peut être utilisée pour des applications.
En plus de l’ingénierie des protéines, les chercheurs ont également conçu le ARN qui guide la protéine Cas vers son ADN cible. Les modifications apportées aux deux composants étaient cruciales pour que le système CasMINI fonctionne dans les cellules humaines. Ils ont testé la capacité de CasMINI à supprimer et à modifier des gènes dans des cellules humaines en laboratoire, y compris des gènes liés à l’infection par le VIH, à la réponse immunitaire anti-tumorale et à l’anémie. Cela a fonctionné sur presque tous les gènes qu’ils ont testés, avec des réponses robustes dans plusieurs.
Ouvrir la porte
Les chercheurs ont déjà commencé à mettre en place des collaborations avec d’autres scientifiques pour poursuivre les thérapies géniques. Ils s’intéressent également à la manière dont ils pourraient contribuer aux progrès des technologies de l’ARN – comme ce qui a été utilisé pour développer l’ARNm COVID-19[feminine vaccins – où la taille peut également être un facteur limitant.
“Cette capacité à concevoir ces systèmes a été souhaitée sur le terrain depuis les premiers jours de CRISPR, et j’ai l’impression que nous avons fait notre part pour avancer vers cette réalité”, a déclaré Qi. « Et cette approche d’ingénierie peut être très utile. C’est ce qui me passionne – ouvrir la porte à de nouvelles possibilités.
Référence : “Système CRISPR-Cas miniature conçu pour la régulation et l’édition du génome des mammifères” par Xiaoshu Xu, Augustine Chemparathy, Leiping Zeng, Hannah R. Kempton, Stephen Shang, Muneaki Nakamura et Lei S. Qi, 3 septembre 2021, Cellule moléculaire.
DOI : 10.1016 / j.molcel.2021.08.008
Les co-auteurs supplémentaires de l’article à Stanford sont les étudiants diplômés Augustine Chemparathy et Hannah Kempton, et les chercheurs postdoctoraux Leiping Zeng, Stephen Shang et Muneaki Nakamura. Qi est également membre de Stanford Bio-X. le Maternal & Child Health Research Institute (MCHRI), le Stanford Cancer Institute et le Wu Tsai Neurosciences Institute. Cette recherche a été financée par la Fondation Li Ka Shing.
