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Les chercheurs ont développé une nouvelle technique d’édition génétique capable de remodeler complètement le génome. Appelée « édition pont », elle peut, entre autres, induire des changements bien plus importants que ceux actuellement possibles avec CRISPR, notamment en insérant directement de nouvelles séquences d’ADN dans le génome. Cela lui confère un niveau de précision jamais atteint auparavant avec les techniques d’édition actuelles.
Les systèmes guidés par ARN ont révolutionné notre compréhension du génome. Parmi ces systèmes se trouve la technique d’édition génétique CRISPR, qui fonctionne comme des « ciseaux » moléculaires guidés par des ARN guides (ARNg). La technique permet, entre autres, de sectionner et de modifier une séquence génétique spécifique en personnalisant l’ARNg.
L’ensemble du processus est médié par la protéine CRISPR Cas. Le terme Cas fait référence à une nucléase qui se lie à un court ARN CRISPR (crRNA) ciblant les séquences d’ADN ou d’ARN pertinentes. Les endonucléases Cas9 et Cas12 clivent l’ADN, tandis que Cas13 clive l’ARN. Lorsque l’outil moléculaire coupe la séquence à cibler, la cellule induit systématiquement un processus de réparation. Le clivage est effectué à plusieurs reprises jusqu’à ce que la cellule mute naturellement en induisant une erreur de réparation.
Cependant, bien que la technique CRISPR permette d’induire une mutation à des sites précis, son niveau de précision est relativement limité. Il coupe et endommage les séquences cibles pour les inactiver, ce qui en fait plus une technique destructrice qu’une technique d’édition.
Pour remédier à cela, des versions améliorées de CRISPR ont été proposées, permettant par exemple de modifier directement les séquences cibles plutôt que de s’appuyer sur des cycles de réparation-mutation. Certaines permettent de modifier des bases nucléotidiques sans passer par le processus de clivage, tandis que d’autres permettent de convertir des gARN en ADN et de les insérer dans la séquence à cibler. Cependant, là encore, la précision reste limitée.
Une équipe de l’Arc Institute, de l’Université de Californie, Berkeley, Stanford et Tokyo a proposé une nouvelle technique d’édition programmable qui permettrait d’insérer de nouvelles séquences d’ADN directement dans le génome à l’aide d’« ARN ponts » – une nouvelle classe de guides. ARN. Cela améliorerait considérablement la précision de l’édition génétique à l’aide d’une seule séquence d’insertion.
« Le système de pontage de l’ARN est un mécanisme fondamentalement nouveau pour la conception du génome “, explique dans un article de blog de l’Arc Institute le chercheur principal de l’étude, Patrick Hsu, également professeur de bio-ingénierie à l’Université de Californie à Berkeley. La recombinaison de pont peut universellement modifier le matériel génétique par l’insertion, l’excision, l’inversion de séquences spécifiques et bien plus encore, permettant une édition du génome vivant plus efficace que CRISPR ».
« Bridge RNA » : un adaptateur universel permettant de cibler n’importe quelle partie du génome
Découvert chez des bactéries et des archées, le nouveau système d’édition moléculaire étudié par l’équipe repose sur une séquence appelée « insertion 110 (IS110) ». Elle fait partie d’un vaste ensemble de séquences transposables (ou « gènes sauteurs ») qui coupent, se déplacent au sein du génome, puis se collent (ou s’insèrent) entre deux brins spécifiques.
Ces courtes séquences sont présentes dans les cellules de tous les êtres vivants et ont évolué pour devenir de véritables outils de manipulation de l’ADN. IS110 en particulier est constitué d’un gène codant pour une enzyme recombinase, responsable de la recombinaison génétique. Il s’agit d’un processus qui conduit à la modification de l’association physique entre deux segments d’ADN.
Les experts de la nouvelle étude — publiée dans la revue
Nature — a utilisé la cryomicroscopie électronique pour étudier les structures moléculaires du complexe pont ARN-recombinase. Ils ont progressé par étapes depuis le processus de clivage IS110 jusqu’à la phase de recombinaison.
Ils ont découvert que lorsque l’IS110 est excisé du génome, les extrémités non codantes du brin d’ADN se rejoignent pour produire deux boucles d’ARN pontantes. L’une des boucles se lie à l’IS110 tandis que l’autre se lie au brin cible où la nouvelle séquence sera insérée, faisant de l’ARN pontant le premier exemple d’ARNg bispécifique. La recombinase induit ensuite le processus d’insertion.
D’autre part, chaque ARN pont est programmable, ce qui permet de combiner n’importe quelle séquence d’ADN cible et donneur. En d’autres termes, l’outil permet d’insérer n’importe quelle séquence d’ADN dans n’importe quel emplacement génomique cible. Ces ponts d’ARN programmables distinguent l’IS110 des autres recombinases connues, qui ne contiennent pas de composant ARN et ne peuvent pas être programmées. “, explique le co-auteur principal de l’étude, Nicolas Perry, également de l’Arc Institute et de l’Université de Californie. Pour l’analogie, “c’est comme si le pont ARN était un adaptateur d’alimentation universel qui rend l’IS110 compatible avec n’importe quelle prise”, dit-il.
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Les éléments génétiques mobiles IS110 expriment un ARNnc (non codant) lié par sa recombinase codée. unReprésentation schématique de la séquence de la protéine recombinase IS110. bReprésentation schématique de la structure et du cycle de vie d’un élément IS110. cUn arbre phylogénétique à racines moyennes construit à partir de 1 054 séquences de recombinase IS110. dRépartition des longueurs d’extrémité non codantes sur huit familles IS. eGraphique de couverture du séquençage d’ARN des extrémités non codantes concaténées de IS621 et de cinq orthologues apparentés exprimés à partir de leur promoteur endogène dans les bactéries E. coli . FReprésentation d’une recombinase IS621 marquée par fluorescence avec un ARNnc de type sauvage ou brouillé pour mesurer la constante de dissociation à l’équilibre (KD). gStructure secondaire consensuelle des ARNnc construits à partir de 103 séquences IS110. ©
Matthew G. Durrant et al.
Précision de plus de 94%
Ce mécanisme confère au nouveau système un niveau de précision qui n’aurait jamais pu être obtenu avec la technique CRISPR. Lors des tests sur les bactéries Escherichia colil’équipe a démontré que l’efficacité de l’insertion d’un gène donné était supérieure à 60 %, tandis que la capacité de l’insérer au bon endroit était supérieure à 94 %.
De plus, la technique permet de recombiner deux brins d’ADN sans libérer les extrémités préalablement clivées de ce dernier. Ces séquences dites « cicatrices » constituent une limitation importante des techniques d’édition génétique actuellement utilisées.
Il est toutefois important de noter que la technique n’a jusqu’à présent été testée que sur des bactéries et que son efficacité sur d’autres types de cellules, dont l’humain, reste à prouver. Mais cela pourrait à terme ouvrir la voie à de nouveaux types de thérapies géniques. Selon les experts, les recherches futures se concentreront sur l’application de l’outil aux cellules humaines, sur l’amélioration de sa précision et de son efficacité, ainsi que sur l’exploration de fonctions supplémentaires potentielles.
Vidéo explicative de l’étude :
