Des chercheurs développent une plateforme d’édition de gènes pour éditer l’ADN mitochondrial

Des chercheurs du Center for Genome Engineering de l’Institute for Basic Science de Corée du Sud ont développé une nouvelle plateforme d’édition de gènes qui pourrait être la dernière pièce manquante du puzzle de la technologie d’édition de gènes, en rendant possible l’édition de l’ADN mitochondrial (ADNmt).

Le groupe a créé une nouvelle plate-forme d’édition de gènes appelée désaminases liées à l’effecteur de type activateur de transcription (TALED), qui sont des éditeurs de base capables d’effectuer une conversion de base A à G. Le nouvel éditeur de base élargit considérablement la portée de l’édition du génome mitochondrial.

Paru dans le numéro du 25 avril 2022 de Cellule, la découverte est l’aboutissement d’un voyage de plusieurs décennies pour guérir les maladies génétiques humaines. De l’invention de la réaction en chaîne par polymérase (PCR) en 1985 à la démonstration de l’édition du génome médiée par CRISPR en 2013, chaque nouvelle découverte révolutionnaire a amélioré la capacité de manipuler l’ADN.

Le développement récent du système CRISPR-Cas, ou “ciseaux génétiques”, a permis une édition complète du génome des cellules vivantes.

Bien que l’édition de gènes réussisse largement dans le génome nucléaire des cellules, les scientifiques n’ont pas réussi à éditer les mitochondries, qui ont leur propre génome. Appelées « la centrale électrique de la cellule », les mitochondries sont de minuscules organites qui servent d’usines génératrices d’énergie. Comme il s’agit d’un organite important pour le métabolisme énergétique, si un gène est muté, il provoque de graves maladies génétiques liées au métabolisme énergétique.

Jin-Soo Kim, directeur du Center for Genome Engineering, développe des outils pour l’édition du génome depuis 1998, notamment les nucléases à doigts de zinc (ZFN), les nucléases effectrices de type activateur de transcription (TALEN) et CRISPR-Cas9.

Mais aucun de ces outils n’est adapté à la mutagenèse novo ou à la correction de gènes dans l’ADNmt, a-t-il déclaré. BioWorld Science. “Plus tôt cette année, nous avons fait rapport sur les désaminases à doigt de zinc (ZFD) permettant l’édition de base C-to-T dans l’ADN nucléaire et mitochondrial.”

Développés par David Liu au Broad Institute en 2020, les ZFD et les éditeurs de base de cytosine dérivés de DddA (DdCBE) catalysent l’édition C-to-T, et plus de 85% des mutations pathogènes de l’ADNmt chez l’homme sont soit C-to-T ou A -vers les mutations du point G, a-t-il déclaré, notant qu’un nouvel outil était nécessaire pour permettre l’édition de la base A vers G afin de corriger près de la moitié de ces mutations pathogènes.

“Il existe des maladies héréditaires extrêmement désagréables dues à des défauts de l’ADNmt”, a déclaré Kim. “Par exemple, la neuropathie optique héréditaire de Leber, qui provoque une cécité soudaine des deux yeux, est causée par une simple mutation ponctuelle de l’ADNmt.”

Une autre maladie liée au gène mitochondrial comprend l’encéphalomyopathie mitochondriale avec acidose lactique et épisodes de type accident vasculaire cérébral, qui détruit lentement le cerveau du patient. Certaines études suggèrent même des anomalies dans l’ADNmt.

Limites des outils d’édition du génome existants

De nombreux outils d’édition du génome existants ne peuvent pas être utilisés en raison des limitations de la méthode de livraison aux mitochondries. Par exemple, la plate-forme CRISPR-Cas n’est pas applicable pour l’édition de ces mutations dans les mitochondries, car le guide d’ARN (ARNg) est incapable d’entrer dans l’organite lui-même.

“Un autre problème est qu’il y a une pénurie de modèles animaux de ces maladies mitochondriales. C’est parce qu’il n’est actuellement pas possible de concevoir les mutations mitochondriales nécessaires pour créer des modèles animaux”, a déclaré Kim. “Le manque de modèles animaux rend très difficile le développement et le test de thérapies pour ces maladies.”

En tant que telle, une technologie fiable pour éditer l’ADN mitochondrial a été l’une des dernières frontières de l’ingénierie du génome pour vaincre les maladies génétiques, et Kim a déclaré que les TALED pourraient être immédiatement utiles pour créer des modèles de maladies dans les lignées cellulaires et les animaux.

Kim et son équipe ont pu créer des modèles de souris avec une mutation C-to-T pathogène à l’aide de DdCBE, l’année dernière.

En 2020, Liu et son équipe du Broad Institute de Harvard et du MIT ont créé un nouvel éditeur de base nommé DdCBE qui peut effectuer une conversion C-to-T à partir de l’ADN dans les mitochondries. Cela a été rendu possible grâce à la création d’une nouvelle technologie d’édition de gènes appelée édition de base, qui convertit une seule base nucléotidique en une autre sans casser l’ADN.

L’avantage potentiel des éditeurs de base est qu’ils fonctionnent sans faire de ruptures double brin dans l’ADN sur le site d’édition. Une telle rupture comporte le risque d’insertions ou de suppressions. Les éditeurs de base convertissent directement une base en une autre.

Lorsque Liu et ses collègues ont publié pour la première fois la méthode d’édition de base en 2017, il a décrit CRISPR comme s’apparentant à des ciseaux moléculaires et les éditeurs de base comme ressemblant davantage à un crayon.

Cependant, cette technique avait aussi ses limites. Non seulement il est limité à la conversion C-to-T, mais il est principalement limité au motif TC, ce qui en fait un convertisseur TC-TT. Cela signifie qu’il ne peut corriger que 9 mutations ponctuelles mitochondriales pathogènes confirmées sur 90.

Pendant très longtemps, la conversion A-to-G de l’ADNmt a été considérée comme impossible.

“Nous travaillons actuellement sur la fabrication de modèles de souris avec des mutations A à T à l’aide de TALED”, a déclaré Kim.

“J’espère que les TALED seront finalement développés en tant que nouvelles modalités thérapeutiques, mais cela prendra plusieurs années ou plus.”

“En plus de l’édition de l’ADNmt, les TALED peuvent être utilisés pour effectuer des conversions de base spécifiques au site dans les chloroplastes des plantes, ouvrant potentiellement un nouveau chapitre dans la génétique végétale et la biotechnologie.”

TALED a été créé en fusionnant trois composants différents. Le premier composant est un effecteur de type activateur de transcription (TALE), qui est capable de cibler une séquence d’ADN. Le deuxième composant est TadA8e, une adénine désaminase conçue pour faciliter la conversion de A à G qui a été développée par le groupe de David Liu. Le troisième composant, DddAtox, est une cytosine désaminase qui rend l’ADN plus accessible à TadA8e.

“Personne n’avait pensé à utiliser TadA8e pour effectuer l’édition de base dans les mitochondries auparavant, car il est censé être spécifique à l’ADN simple brin. C’est cette approche novatrice qui nous a vraiment aidés à inventer TALED “, a déclaré Kim.

TadA8e fusionné à la fonction nickase CRISPR-Cas9 en tant qu’éditeurs de base d’adénine (ABE) pour induire l’édition A à G dans l’ADN nucléaire.

“Malheureusement, les ABE n’ont pas été en mesure d’autoriser l’édition de A à G dans l’ADNmt en raison de la difficulté de délivrer l’ARNg dans les mitochondries”, a-t-il déclaré.

“Nous avons émis l’hypothèse que TadA8e fusionné pour scinder la DddA désaminase spécifique à l’ADN double brin pourrait rendre l’ADN accessible à TadA8e.”

Les chercheurs ont émis l’hypothèse que DddAtox permet à l’ADN double brin d’être accessible en déroulant de manière transitoire le double brin. Cette fenêtre temporelle éphémère mais temporaire permet à TadA8e d’effectuer rapidement les modifications nécessaires. En plus de peaufiner les composants de TALED, les chercheurs ont également développé une technologie capable d’éditer simultanément les bases A à G et C à T, ainsi que l’édition de base A à G uniquement.

“Ce fut une surprise de découvrir que les TALED fractionnés contenant de l’UGI peuvent induire des modifications simultanées C-to-T et A-to-G”, a déclaré Kim.

Le groupe de Kim a démontré cette nouvelle technologie en créant un seul clone dérivé d’une cellule contenant les modifications d’ADNmt souhaitées. De plus, les TALED ne se sont révélés ni cytotoxiques ni instables dans l’ADNmt.

Les chercheurs visent maintenant à améliorer davantage les TALED en augmentant l’efficacité et la spécificité de l’édition, ouvrant éventuellement la voie à la correction des mutations pathogènes de l’ADNmt chez les embryons, les fœtus, les nouveau-nés ou les patients adultes.

Les prochaines étapes consisteront à améliorer la spécificité des TALED et à créer des modèles de souris avec des mutations A à T.

“TadA8e est connu pour induire une édition d’ARN hors cible, et nous testerons si les TALED induisent une telle édition d’ARN hors cible et, si c’est le cas, prévoyons de développer des TALED sans une telle édition hors cible”, a déclaré Kim.

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