Les ingénieurs biomédicaux de l’Université Duke ont démontré une nouvelle approche prometteuse qui pourrait être utilisée pour traiter une classe rare et complexe de maladies génétiques causées par des défauts dans une région relativement grande du génome.
En identifiant et en activant un interrupteur épigénétique maître en utilisant CRISPR, les chercheurs ont montré qu’ils peuvent activer de nombreux gènes naturellement supprimés d’un parent pour compenser les défauts des mêmes gènes fournis par le deuxième parent.
La maladie spécifique ciblée dans la recherche est le syndrome de Prader-Willi, qui provoque un large éventail de problèmes physiques, mentaux et comportementaux, notamment un sentiment constant de faim. Bien que les travaux de preuve de concept dans cette étude se soient limités au traitement des cellules souches et des neurones provenant de ces cellules dans un laboratoire, les chercheurs espèrent qu’il pourrait éventuellement avoir un impact clinique.
Les résultats apparaissent le 12 février en ligne dans le journal Génomique cellulaire.
Les impacts du syndrome de Prader-Willi sur les patients sont multiformes car il provient d’une personne qui manque une région entière d’un chromosome contenant de nombreux gènes différents avec de nombreuses fonctions différentes. Cela fait que les gens veulent manger tout le temps parce que leur appétit n’est jamais rassasié, ce qui conduit à une multitude d’autres problèmes associés à la prise de poids.
La maladie provoque également des défauts de croissance et de développement physique, de troubles cognitifs, de problèmes de parole, de caractéristiques faciales distinctes et de nombreux autres effets.
Ces gènes, cependant, ne manquent que du côté du père de l’équation génétique. Les personnes atteintes du syndrome de Prader-Willi portent toujours les gènes requis de leur mère, mais ces gènes sont naturellement réduits au silence chez des personnes en bonne santé grâce à un mécanisme appelé empreinte.
« Il existe de nombreux exemples de ces régions imprimées du génome, où une copie d’un ensemble de gènes de l’un ou l’autre parent est normalement réduite au silence, » a déclaré Charles Gersbach, le professeur distingué John W. Strohbehn de génie biomédical à Duke.
« Mais des problèmes se produisent lorsqu’une mutation amène les gens à perdre les gènes actifs complémentaires de l’autre parent. Il n’y a pas vraiment de thérapies pour cela en ce moment, mais ces personnes ont déjà des copies de tous les gènes dont ils ont besoin, nous avons juste besoin de trouver un moyen de les activer. »
Le laboratoire et les collaborateurs de Gersbach à Duke ont passé plus d’une décennie à développer des façons d’utiliser CRISPR pour moduler l’activité épigénétique. Découverte à l’origine comme un système de défense bactérienne contre les virus, CRISPR cible des séquences de gènes très spécifiques.
Alors que le système d’origine transporte une protéine appelée Cas9 qui tranche et désir les génomes viraux ciblés, la partie ciblant l’ADN du système peut fonctionner indépendamment.
En supprimant cette fonction de coupe à « defang » CRISPR, il peut plutôt être utilisé pour cibler et effectuer d’autres manipulations en matière génétique tout en laissant la séquence d’ADN sous-jacente inchangée. Par exemple, il peut se lier aux gènes et les empêcher d’exécuter leurs fonctions normales. Ou il peut manipuler chimiquement les protéines qui emballent l’ADN, activant ou réticule l’expression des gènes à travers la toile de biomolécules appelée épigénome.
« Bien que CRISPR soit le plus connu pour changer la séquence d’ADN, notre concentration sur la régulation de l’épigénome est beaucoup plus proche de la façon dont la biologie régule naturellement l’activité génétique, » A expliqué Gersbach.
« Pensez à la façon dont nos gènes sont régulés à travers tous les différents types de cellules et de tissus, et comment leur activité change lorsque nous vieillissons, régénérons ou répondons aux médicaments. Aucun de ces effets ne change notre séquence génétique sous-jacente, mais ils ont des effets profonds sur la façon dont nos gènes sont régulés. »
Gersbach et son laboratoire ont déjà démontré des méthodes spécifiques pour faire taire les gènes individuels ou les envoyer dans l’hyperdrive. Mais l’activation d’une région entière de gènes silencieuse par empreinte est un défi différent. Les chercheurs n’étaient même pas sûrs que c’était possible.
Pour le savoir, Gersbach a encadré deux doctorats. Étudiants, Josh Black, qui est maintenant scientifique du personnel chez Duke, et Dahlia Rohm, qui a récemment obtenu son diplôme et commence des études post-doctorales à l’Université de Toronto.
L’équipe de chercheurs a sélectionné des milliers de cibles génomiques pour les réponses aux changements épigénétiques qui pourraient affecter toute la région chromosomique. Cet effort a été facilité par le fait que les séquences de ciblage CRISPR sont rapides et faciles à produire, et des milliers peuvent être testés pour les effets dans des millions de cellules dans une seule expérience.
Les efforts des chercheurs ont finalement porté leurs fruits, révélant des sites spécifiques qui agissent comme un principal interrupteur pour l’ensemble de la région génomique au silence.
Les chercheurs ont essayé deux approches pour activer ces commutateurs – une qui recrute la machinerie d’activation cellulaire directement à sa porte et une autre qui la libère essentiellement de ses chaînes biomoléculaires répressives.
Ils ont découvert que la deuxième approche, appelée déméthylation de l’ADN, a activé en permanence les gènes maternels nécessaires dans les cellules souches qui ont finalement transformé en neurones qui maintenaient l’expression des gènes nécessaires.
« C’était probablement le résultat le plus excitant, » Dit Rohm.
« Que nous pourrions utiliser CRISPR comme exposition transitoire mais obtenir un effet permanent et stable. Cela nous amène à espérer que nous pouvons éventuellement traduire cela en une thérapie durable, non seulement pour les patients atteints du syndrome de Prader-Willi, mais pour d’autres maladies génétiques rares qui se produisent par un mécanisme similaire. »
Cependant, il y a encore beaucoup de recherches à faire avant que l’espoir devienne une réalité. Pour travailler chez des patients humains, le système de déméthylation CRISPR devrait être livré à leurs neurones dans de grandes régions cérébrales, ce qui est un défi que de nombreux domaines CRISPR travaillent actuellement à surmonter.
Il faut également montrer que ces changements épigénétiques et leurs effets peuvent prendre racine et rester stables dans des cellules neuronales déjà matures.
Ce sont les prochaines étapes sur lesquelles Gersbach et ses collègues travaillent déjà en poursuivant des études animales avec des mécanismes de livraison CRISPR existants. Et avec une grande quantité d’activités et de progrès dans ce domaine, il y aura probablement beaucoup plus de techniques de livraison disponibles dans les années à venir.
« Si vous vouliez traiter cette maladie par la thérapie génique conventionnelle, vous devrez livrer de nombreux gènes et ARN différents, » Dit Black.
« Notre approche pour manipuler un maître contrôleur de tous ces gènes qui sont déjà présents dans la région imprimée est une option beaucoup plus simple. Il s’agit vraiment d’un cas d’utilisation idéal pour la technologie d’édition Epigenome sur laquelle nous nous sommes concentrés. »
