De nombreuses maladies sont causées par une copie manquante ou défectueuse d’un seul gène. Depuis des décennies, les scientifiques travaillent sur des traitements de thérapie génique qui pourraient guérir de telles maladies en livrant une nouvelle copie des gènes manquants aux cellules affectées.
Malgré ces efforts, très peu de traitements de thérapie génique ont été approuvés par la FDA. L’un des défis du développement de ces traitements a été de maîtriser le contrôle de la quantité de nouveau gène exprimé dans les cellules – trop peu et il ne réussira pas, trop et cela pourrait provoquer de graves effets secondaires.
Pour aider à obtenir un contrôle plus précis de la thérapie génique, les ingénieurs du MIT ont réglé et appliqué un circuit de contrôle qui peut maintenir les niveaux d’expression dans une plage cible. Dans les cellules humaines, ils ont montré qu’ils pouvaient utiliser cette méthode pour délivrer des gènes qui pourraient aider à traiter les maladies, y compris le syndrome X fragile, un trouble qui conduit à une déficience intellectuelle et à d’autres problèmes de développement.
« En théorie, la supplémentation génétique peut résoudre des troubles monogènes qui sont très diversifiés mais qui ont une correction de thérapie génique relativement simple si vous pouviez contrôler suffisamment la thérapie », explique Katie Galloway, professeur de développement de carrière WM Keck en génie biomédical et en génie chimique et auteur principal de la nouvelle étude.
L’étudiante diplômée du MIT, Kasey Love, est l’auteur principal du journal, qui est publié dans Systèmes cellulaires. Les autres auteurs de l’article incluent les étudiants diplômés du MIT Christopher Johnstone, Emma Peterman et Stephanie Gaglione et Michael Birnbaum, professeur agrégé de génie biologique au MIT.
Livrer des gènes
Alors que la thérapie génique est prometteuse pour traiter une variété de maladies, notamment l’hémophilie et l’anémie falciforme, seules une poignée de traitements ont été approuvées jusqu’à présent, pour une maladie rétinienne héréditaire et certains cancers du sang.
La plupart des approches de thérapie génique utilisent un virus pour fournir une nouvelle copie d’un gène, qui est ensuite intégré à l’ADN des cellules hôtes. Certaines cellules peuvent occuper de nombreuses copies du gène, tandis que d’autres n’en reçoivent pas.
« Une simple surexpression de cette charge utile peut entraîner un très large éventail de niveaux d’expression dans les gènes cibles car ils occupent différents nombres de copies de ces gènes ou ont simplement des niveaux d’expression différents », explique Love. « Si cela n’exprime pas suffisamment, cela bat le but de la thérapie. Mais en revanche, l’exprimer à des niveaux trop élevés est également un problème, car cette charge utile peut être toxique. »
Pour essayer de surmonter cela, les scientifiques ont expérimenté différents types de circuits de contrôle qui limitent l’expression du gène thérapeutique. Dans cette étude, l’équipe du MIT a décidé d’utiliser un type de circuit appelé une boucle incohérente à action directe (IFFL).
Dans un circuit IFFL, l’activation du gène cible active simultanément la production d’une molécule qui supprime l’expression des gènes. Un type de molécule qui peut être utilisé pour réaliser cette suppression est le microARN – une courte séquence d’ARN qui se lie à l’ARN messager, l’empêchant d’être traduit en protéines.
Dans cette étude, l’équipe du MIT a conçu un circuit IFFL, appelé « commande » (atténuateur compact médié par les microARN du bruit et du dosage), de sorte qu’un brin de microARN qui réprime la traduction de l’ARNm est codé dans le gène thérapeutique. Le microARN est situé dans un segment court appelé intron, qui est épissé du gène lorsqu’il est transcrit dans l’ARNm. Cela signifie que chaque fois que le gène est activé, l’ARNm et le microARN qui répriment sont produits en quantités à peu près égales.
Cette approche permet aux chercheurs de contrôler l’ensemble du circuit de commande avec un seul promoteur – le site d’ADN où la transcription des gènes est activée. En échangeant des promoteurs de différentes forces, les chercheurs peuvent adapter la quantité de gène thérapeutique.
En plus d’offrir un contrôle plus serré, la conception compacte du circuit permet de le transporter sur un véhicule de livraison unique, comme un lentivirus ou un virus adéno-associé, ce qui pourrait améliorer la fabrication de ces thérapies. Ces deux virus sont fréquemment utilisés pour fournir des cargaisons thérapeutiques.
« D’autres personnes ont développé des boucles incohérentes à base de microARN à base de microARN, mais ce que Kasey a fait est de tout mettre sur une seule transcription, et elle a montré que cela donne le meilleur contrôle possible lorsque vous avez une livraison variable aux cellules », explique Galloway.
Contrôle précis
Pour démontrer ce système, les chercheurs ont conçu des circuits de commande qui pourraient délivrer le gène FXN, qui est muté dans l’ataxie de Friedreich – un trouble qui affecte le cœur et le système nerveux. Ils ont également livré le gène FMR1, dont le dysfonctionnement provoque un syndrome X fragile. Dans les tests dans les cellules humaines, ils ont montré qu’ils pouvaient régler les niveaux d’expression des gènes à environ huit fois les niveaux normalement observés dans les cellules saines.
Sans commande, l’expression des gènes était plus de 50 fois le niveau normal, ce qui pourrait poser des risques de sécurité. D’autres tests dans des modèles animaux seraient nécessaires pour déterminer les niveaux optimaux, selon les chercheurs.
Les chercheurs ont également effectué des tests dans les neurones de rat, les fibroblastes de souris et les cellules T humaines. Pour ces cellules, ils ont livré un gène qui code pour une protéine fluorescente, afin qu’ils puissent facilement mesurer les niveaux d’expression génique. Dans ces cellules également, les chercheurs ont constaté qu’ils pouvaient contrôler les niveaux d’expression des gènes plus précisément que sans le circuit.
Les chercheurs prévoient désormais d’étudier s’ils pouvaient utiliser cette approche pour fournir des gènes à un niveau qui restaurerait la fonction normale et les signes inversés de la maladie, soit dans des cellules en culture ou des modèles animaux.
« Il y a probablement un réglage qui devrait être fait aux niveaux d’expression, mais nous comprenons certains de ces principes de conception, donc si nous devions régler les niveaux vers le haut ou vers le bas, je pense que nous saurions potentiellement comment procéder », dit Love.
D’autres maladies que cette approche pourrait être appliquée pour inclure le syndrome de Rett, la dystrophie musculaire et l’atrophie musculaire spinale, selon les chercheurs.
« Le défi avec beaucoup d’entre eux est que ce sont également des maladies rares, donc vous n’avez pas de grandes populations de patients », explique Galloway. « Nous essayons de construire ces outils robustes afin que les gens puissent comprendre comment faire le réglage, car les populations de patients sont si petites et il n’y a pas beaucoup de financement pour résoudre certains de ces troubles. »
