Le nouvel outil CRISPR protège contre les virus sans faire de coupures d'ADN

[cgelinas]

6 juin 2022


Lorsque CRISPR a fait irruption sur la scène biotechnologique, il est devenu célèbre pour ses prouesses de coupe précises : casser un brin d'ADN cible, faire taire un gène. Mais l'outil est venu avec des ratés.

Bien que beaucoup plus efficace que les outils précédents pour bricoler le génome, CRISPR-Cas9 était à la base un boucher génétique. Pour modifier un gène, la première étape consistait à briser sa colonne vertébrale et à espérer le résultat souhaité alors que la cellule se démenait pour réparer les dégâts.

Entrez des itérations plus récentes. Les scientifiques ont rapidement découvert tout un univers de protéines Cas aux fonctions extrêmement différentes. CRISPR a rapidement acquis de nouvelles capacités, passant d'une paire de ciseaux pointus à un couteau suisse capable d'une myriade de modifications génétiques différentes. Echanger une lettre ADN? Bien sûr. Activer un gène? Pourquoi pas? Que diriez-vous de renoncer complètement à couper un gène, au lieu de rechercher et de remplacer notre code génomique sans couper les deux brins d'ADN? Le premier montage prend position.

Pourtant, toutes ces retombées nécessitent encore une entaille du génome. Comme une chirurgie mini-invasive, les dommages sont minimes, mais comportent des risques de relooking génomique trop zélé – et des effets secondaires inconnus – si le système devient incontrôlable.

Que diriez-vous de supprimer complètement les coupures d'ADN?

Une étude publiée la semaine dernière dans Molecular Cell a fait un pas vers ce nouveau concept radical pour CRISPR. Dirigée par le Dr Jennifer Doudna de l'Université de Californie à Berkeley, qui a partagé un prix Nobel en tant que pionnière dans le domaine, l'étude s'est concentrée sur le cousin moins célèbre et beaucoup plus énigmatique de Cas9, Cas12c.

C'est le mouton noir de la famille Cas. Contrairement aux autres membres, Cas12c n'a absolument pas la capacité de couper l'ADN. Au lieu de cela, dans les cellules bactériennes, il se lie aux virus envahisseurs et protège les cellules vulnérables sans déchiqueter l'ADN du virus. Le résultat final est un puissant système de défense antiviral qui ne sollicite pas le fonctionnement interne de la cellule hôte, tout en la rendant invincible à certaines infections virales.

L'étude montre que le hachage de l'ADN viral n'est pas la seule voie de défense antivirale, du moins dans les cellules bactériennes, ont déclaré les auteurs. Mais plus important encore, nous avons seulement commencé à gratter la surface des éditeurs de gènes CRISPR.

« La diversité CRISPR est stupéfiante et démontre diverses stratégies adoptées à partir des bactéries pour contrer l'invasion des phages. Il fournit une source incroyable pour le développement de la biotechnologie », a déclaré le Dr Gaétan Burgio, un généticien travaillant sur les infections et CRISPR à l'Université nationale australienne, qui n'a pas participé à l'étude, à Singularity Hub .

Un étrange Cas

Classic CRISPR-Cas9 est une équipe d'étiquettes de copains. L'un des composants, l'ARN guide (ARNg), est le limier qui traque la séquence d'ADN cible. Une fois détecté, Cas9 se concentre sur le site et coupe efficacement les brins en double hélice. Le système a été initialement trouvé dans les bactéries en tant que mécanisme de défense immunitaire et a ensuite été coopté dans la centrale d'édition de gènes aujourd'hui.

Mais Cas9 n'est pas le seul shérif aux ciseaux en ville. En 2015, plusieurs études ont trouvé un cousin éloigné surnommé Cas12 - pas seulement un membre, mais toute une famille de protéines aux fonctions différentes . Plusieurs membres de Cas12 sont rapidement devenus célèbres pour leur petite taille et leur simplicité et ont été étudiés pour une utilisation clinique. Avec un soupçon de créativité et d'ingéniosité, CRISPR-Cas12 a pris la scène mondiale dans la lutte contre Covid-19 comme moyen de détecter le SRAS-CoV-2, le virus qui cause la maladie.

Alors que Cas12 devenait célèbre, les scientifiques ont commencé à plonger plus profondément dans la mystérieuse famille des protéines. "Ce qui nous motive, c'est qu'il reste encore tant de diversité CRISPR à caractériser dans la nature", a déclaré à l'époque le Dr David Scott d'Arbor Biotechnologies, à la recherche de protéines dotées de nouvelles fonctionnalités. Un écran de près de 300 000 équipes CRISPR-Cas12 potentielles a esquissé l'arbre généalogique en trois branches principales avec huit membres, chacun théoriquement capable de couper l'ADN.

Cas12c s'est démarqué comme un excentrique. Présente à l'origine dans de petits fragments d'ADN de la vie marine et de l'intestin, l'enzyme partageait des caractéristiques avec ses frères et sœurs en ce sens qu'elle se lie facilement à l'ADN ciblé.

Mais étude après étude dans des boîtes de Pétri, Cas12c n'avait absolument pas la capacité de couper l'ADN.

Les gens ont pris Cas12c comme un raté d'édition de gènes. La nouvelle étude a demandé : et si au lieu de couper l'ADN, il faisait autre chose ?

La zone dangereuse

Couper ou modifier l'ADN n'est pas le seul moyen de modifier ses instructions. Pour concevoir les protéines qui composent notre corps, la cellule commence par transcrire l'ADN en ARN. L'ARN est l'interprète biologique global - il transporte les informations génétiques du noyau, un château en forme de noyau de pêche qui abrite l'ADN, vers une sorte d'imprimante 3D cellulaire qui transforme les données ADN en protéines.

En d'autres termes, pas d'ARN, pas de protéines, pas de vie.

Cette première étape de l'ADN à l'ARN s'appelle la transcription. L'inhibition de la transcription ferme essentiellement l'influence d'un gène (sans changer ses lettres d'ADN). C'est une stratégie que les médecins utilisent pour traiter les cancers à composante génétique, mais elle est rarement utilisée pour l'édition CRISPR.

Ici, l'équipe a d'abord confirmé que Cas12c est un raté qui coupe l'ADN. Spoiler: comme une paire de ciseaux émoussés, cela n'a fonctionné contre aucune itération d'ADN - double brin, simple brin, morceaux longs ou courts. Plutôt que de couper l'ADN, une partie de la protéine Cas normalement dédiée à l'édition de l'ADN semble plutôt couper une version préliminaire de l'ARNg, la partie qui guide le système CRISPR. En d'autres termes, Cas12c a le super pouvoir de fabriquer des limiers d'ARNg, une capacité rarement vue chez les autres membres de la famille Cas.

C'est un "rôle distinct" de "la plupart des autres systèmes", a expliqué l'équipe.

Solution supérieure

Comme nos propres cellules, les bactéries luttent pour se défendre contre les envahisseurs viraux. Un ennemi particulièrement coriace est le bactériophage, un virus comique qui injecte son matériel génétique dans les cellules pour se répliquer. (Bien que notoires pour les bactéries, les créatures araignées pourraient être notre grâce salvatrice contre la résistance aux antibiotiques.)

Dans un test, l'équipe a propagé des phages sur des cellules bactériennes avec Cas12 et l'ARN guide approprié, ou non. Contrairement aux autres membres de la famille, Cas12c était la rockstar : il a réduit les plaques virales par mille fois, quel que soit le brin d'ADN sur lequel l'enzyme s'est affinée. Dans l'ensemble, le système fonctionnait de la même manière qu'une version précédente de coupure d'ADN appelée Cas12a désactivée. Mais plutôt qu'une coupure violente, Cas12c a essentiellement donné au virus une étreinte chaleureuse et mortelle, fermant à son tour les principaux gènes dont il a besoin pour se reproduire.

"Nous avons découvert que Cas12c est le premier exemple démontré d'un système de ciblage naturel de l'ADN" qui "fournit une immunité antivirale" sans qu'il soit nécessaire de couper l'ADN, ont conclu les auteurs.

Ce n'est pas la première fois que des scientifiques exploitent des enzymes Cas non coupantes. En mutant Cas9 ou Cas12a, par exemple, les scientifiques ont précédemment conçu des versions «mortes» alternatives qui ne peuvent se lier qu'à l'ADN mais pas couper ses brins délicats. Ceux-ci sont "largement utilisés dans le domaine de l'édition de gènes", a déclaré Burgio. Mais la capacité de Cas12c a un avantage : il fonctionne sur l'un ou l'autre brin d'ADN, alors que les mutants génétiquement modifiés ne peuvent souvent en cibler qu'un, ce qui limite leur portée.

"Cas12c élargirait la boîte à outils disponible d'enzymes se liant à l'ADN", a déclaré Burgio.

Pour l'instant, le nouveau système est plus une bizarrerie pour examiner l'immunité CRISPR qu'un outil immédiat pour éditer nos propres génomes. Avec plus de travail, l'enzyme pourrait un jour aider à des études qui bloquent la transcription critique de l'ADN en ARN ou pour la réparation mutationnelle, mais elle doit être testée plus avant.

Depuis sa création, CRISPR-Cas n'a cessé d'évoluer vers des outils de plus en plus efficaces, puissants et flexibles pour réorganiser notre information génétique. Comme toute boîte à outils flexible, les options ne cessent de croître. Alors qu'une stratégie parcourt un multivers de bactéries naturelles à la recherche de candidats Cas, d'autres exploitent l' évolution dirigée et la biologie synthétique pour continuer à générer et à expérimenter des outils de biohacking pour modifier notre biologie de base.

"C'est un monde vraiment fascinant à observer et il a encore beaucoup à donner", a déclaré Burgio.



Source: SingularityHub



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