Les chercheurs de Stanford ont conçu un nouveau système miniature avec la technologie CRISPR, qui devrait être plus facile à livrer aux cellules humaines.
Les bioingénieurs ont réutilisé le système CRISPR « non fonctionnel » pour créer une version plus petite de l’outil d’ingénierie du génome. Sa petite taille devrait faciliter l’accès aux cellules, aux tissus et au corps humain pour la thérapie génique.
Une analogie courante pour l’édition de gènes CRISPR est qu’elle fonctionne comme des ciseaux moléculaires, coupant des sections spécifiques de ADN. Stanley Key, professeur adjoint de bio-ingénierie à l’Université de Stanford, aime cette analogie, mais pense qu’il est temps de réimaginer CRISPR comme un couteau suisse.
« La technologie CRISPR peut être aussi simple qu’une tondeuse, ou plus avancée comme un régulateur, un éditeur, une étiquette ou une imagerie », a déclaré Qi, qui est également professeur adjoint de chimie et de biologie des systèmes à la Stanford University School of Medicine et chercheur. à Stanford ChEM-H. « De nombreuses applications émergent de ce domaine passionnant. »
Cependant, bon nombre des différents systèmes CRISPR utilisés ou testés cliniquement pour la thérapie génique des maladies de l’œil, du foie et du cerveau restent limités car ils souffrent tous du même défaut : ils sont trop gros et, par conséquent, difficiles à transférer dans des cellules, des tissus ou des organismes.
Dans un article publié le 3 septembre dans cellule moléculaireQi et ses collaborateurs ont annoncé ce qu’ils pensent être un grand pas en avant pour CRISPR : mini Système CRISPR. Alors que les systèmes CRISPR couramment utilisés – avec des noms tels que Cas9 et Cas12a désignant différentes versions des protéines Cas associées à CRISPR – se composent d’environ 1 000 à 1 500 Acides aminés, « CasMINI » en a 529.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont confirmé que CasMINI peut supprimer, activer et modifier le code génétique tout comme ses homologues plus grands. Sa petite taille signifie qu’il devrait être plus facile à administrer aux cellules humaines et au corps humain, ce qui en fait un outil potentiel pour traiter une variété de maladies, y compris les maladies oculaires, la dégénérescence des organes et les maladies génétiques en général.
effort constant
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’archées – organismes unicellulaires – ce qui signifie qu’elle est totalement inadaptée aux cellules de mammifères, sans parler des cellules ou des corps humains. Peu de 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: » Eh bien, des millions d’années d’évolution n’ont pas pu transformer ce système CRISPR en quelque chose qui fonctionne dans le corps humain. Pouvons-nous changer cela en seulement un an ou deux? « À ma connaissance, nous avons, pour la première fois, converti un CRISPR non fonctionnel en un CRISPR fonctionnel. »
En fait, Xiaoshu Xu, chercheur postdoctoral au laboratoire Qi et auteur principal de l’article, n’a constaté aucune activité de Cas12f normal dans les cellules humaines. Xu et Qi ont émis l’hypothèse que le problème est que l’ADN du génome humain est plus complexe et moins accessible que l’ADN microbien, ce qui rend difficile pour Cas12f de trouver sa cible dans les cellules. En tenant compte de la structure informatiquement attendue du système Cas12f, il a soigneusement sélectionné environ 40 mutations de protéines qui pourraient contourner cette limitation et a établi un pipeline pour tester de nombreuses variantes de protéines simultanément. La variante de travail transformerait, en théorie, une cellule humaine en vert 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 Shaw. « Mais après les itérations de la bio-ingénierie, nous avons vu certaines des protéines modifiées commencer à fonctionner, comme par magie. Cela nous a vraiment fait apprécier le pouvoir de la biologie synthétique et de la bio-ingénierie. «
Les premiers résultats positifs étaient modestes, mais ils ont enthousiasmé Xu et l’ont encouragée à passer à autre chose, car cela signifiait que le système fonctionnait. Au cours de nombreuses itérations supplémentaires, j’ai pu améliorer 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 Che. « J’ai dit : ‘C’est bon maintenant. Vous avez fait un bon système. Nous devrions réfléchir à la façon dont nous pouvons utiliser cette molécule dans des applications.' »
En plus de l’ingénierie de la protéine, les chercheurs ont également conçu ARN qui dirige la protéine Cas vers l’ADN cible. Des modifications des deux composants ont été nécessaires pour que le système CasMINI fonctionne dans les cellules humaines. Ils ont testé la capacité de CasMINI à supprimer et modifier des gènes dans des cellules humaines dépendantes du 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 de fortes réponses dans de nombreux gènes.
ouvrir la porte
Les chercheurs commencent déjà à mettre en commun des collaborations avec d’autres scientifiques pour poursuivre les thérapies géniques. Ils s’intéressent également à la façon dont il peut 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 est requise dans ce domaine depuis les premiers jours de CRISPR, et je pense que nous avons fait notre part pour avancer vers cette réalité », a déclaré Qi. Cette approche d’ingénierie peut être très bénéfique. C’est ce qui me passionne – ouvrir la porte à de nouvelles possibilités. »
Référence : « Le système miniature CRISPR-Cas 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 de l’Université de Stanford sont les étudiants diplômés Augustin Chimbarathy et Hana Kempton, et les chercheurs postdoctoraux Liping Zheng, Stephen Chang et Munyaki Nakamura. Qi est également membre de Stanford Bio-X. L’Institut de recherche sur la santé maternelle et infantile (MCHRI), le Stanford Cancer Institute et le Wu Tsai Neuroscience Institute. Cette recherche a été financée par la Fondation Li Ka Shing.