La nouvelle technologie CRISPR offre un contrôle inégalé de l’hérédité épigénétique

Les scientifiques ont découvert comment modifier l’architecture de base de CRISPR pour étendre sa portée au-delà du génome et dans ce que l’on appelle l’épigénome – des protéines et de petites molécules qui s’accrochent à l’ADN et contrôlent quand et où les gènes sont activés ou désactivés.

Dans un article publié le 9 avril 2021 dans la revue Cellule, des chercheurs de l’UC San Francisco et du Whitehead Institute décrivent un nouvel outil basé sur CRISPR appelé «CRISPRoff», qui permet aux scientifiques de désactiver presque tous les gènes des cellules humaines sans effectuer une seule modification du code génétique. Les chercheurs montrent également qu’une fois qu’un gène est désactivé, il reste inerte chez les descendants de la cellule pendant des centaines de générations, à moins qu’il ne soit réactivé avec un outil complémentaire appelé CRISPRon, également décrit dans l’article.

Parce que l’épigénome joue un rôle central dans de nombreuses maladies, de l’infection virale au cancer, la technologie CRISPRoff pourrait un jour conduire à de puissantes thérapies épigénétiques. Et comme cette approche n’implique aucune modification de l’ADN, elle est probablement plus sûre que les thérapies CRISPR conventionnelles, qui sont connues pour provoquer des modifications indésirables et potentiellement néfastes du génome.

«Bien que les thérapies génétiques et cellulaires soient l’avenir de la médecine, il existe des problèmes de sécurité potentiels liés à la modification permanente du génome, c’est pourquoi nous essayons de trouver d’autres moyens d’utiliser CRISPR pour traiter la maladie», a déclaré Luke Gilbert, PhD, professeur au Helen Diller Family Comprehensive Cancer Center de l’UCSF et co-auteur principal du nouvel article.

Transformer CRISPR du génome à l’éditeur d’épigénome

CRISPR conventionnel est équipé de deux pièces de matériel moléculaire qui en font un outil efficace d’édition de gènes. L’un des composants est une enzyme de capture d’ADN, qui donne à CRISPR la capacité de modifier les séquences d’ADN. L’autre est un dispositif de référence qui peut être programmé pour se concentrer sur n’importe quelle séquence d’ADN d’intérêt, donnant un contrôle précis sur l’endroit où les modifications sont effectuées.

Pour construire CRISPRoff, les chercheurs se sont dispensés de la fonction conventionnelle d’enzyme de capture d’ADN de CRISPR tout en conservant le dispositif de retour, créant un CRISPR dépouillé capable de cibler n’importe quel gène, mais sans le modifier. Ensuite, ils ont attaché une enzyme à ce CRISPR barebones. Mais plutôt que d’épisser l’ADN, cette enzyme agit sur l’épigénome.

Le nouvel outil cible une caractéristique épigénétique particulière connue sous le nom de méthylation de l’ADN, qui est l’une des nombreuses parties moléculaires de l’épigénome. Lorsque l’ADN est méthylé, une petite étiquette chimique connue sous le nom de groupe méthyle est apposée sur l’ADN, ce qui fait taire les gènes voisins. Bien que la méthylation de l’ADN se produise naturellement dans toutes les cellules de mammifères, CRISPRoff offre aux scientifiques un contrôle sans précédent sur ce processus. Un autre outil décrit dans l’article, appelé CRISPRon, supprime les marques de méthylation déposées par CRISPRoff, rendant le processus entièrement réversible.

«Nous avons maintenant un outil simple qui peut faire taire la grande majorité des gènes», a déclaré Jonathan Weissman, PhD, membre de l’Institut Whitehead, co-auteur principal du nouvel article et ancien membre du corps professoral de l’UCSF. « Nous pouvons faire cela pour plusieurs gènes en même temps sans aucun dommage à l’ADN, et d’une manière qui peut être inversée. C’est un excellent outil pour contrôler l’expression des gènes. »

« Major Surprise » bouleverse un principe de base de l’épigénétique

Sur la base de travaux antérieurs d’un groupe en Italie, les chercheurs étaient convaincus que CRISPRoff serait capable de faire taire des gènes spécifiques, mais ils soupçonnaient qu’environ 30% des gènes humains ne répondraient pas au nouvel outil.

L’ADN se compose de quatre lettres génétiques – A, C, G, T – mais, en général, seuls les C à côté de G peuvent être méthylés. Pour compliquer les choses, les scientifiques ont longtemps cru que la méthylation ne pouvait faire taire les gènes que sur des sites du génome où les séquences CG sont très concentrées, des régions appelées «îles CpG».

Étant donné que près d’un tiers des gènes humains n’ont pas d’îlots CpG, les chercheurs ont supposé que la méthylation ne désactiverait pas ces gènes. Mais leurs expériences CRISPRoff ont bouleversé ce dogme épigénétique.

« Ce que l’on pensait avant ce travail était que les 30 pour cent des gènes qui n’ont pas d’îlots CpG n’étaient pas contrôlés par la méthylation de l’ADN », a déclaré Gilbert. « Mais notre travail montre clairement que vous n’avez pas besoin d’un îlot CpG pour désactiver les gènes par méthylation. Cela, pour moi, a été une grande surprise. »

L’héritage épigénétique améliore le potentiel thérapeutique de CRISPRoff

Les éditeurs épigénétiques faciles à utiliser comme CRISPRoff ont un énorme potentiel thérapeutique, en grande partie parce que, comme le génome, l’épigénome peut être hérité.

Lorsque CRISPRoff fait taire un gène, non seulement le gène reste éteint dans la cellule traitée, mais il reste également éteint chez les descendants de la cellule lors de sa division, pendant jusqu’à 450 générations.

À la surprise des chercheurs, cela était vrai même dans les cellules souches en cours de maturation. Bien que la transition de la cellule souche à la cellule adulte différenciée implique un recâblage significatif de l’épigénome, les marques de méthylation déposées par CRISPRoff ont été fidèlement héritées dans une fraction significative de cellules qui ont fait cette transition.

Ces résultats suggèrent que CRISPRoff ne devrait être administré qu’une seule fois pour avoir des effets thérapeutiques durables, ce qui en fait une approche prometteuse pour le traitement de maladies génétiques rares – y compris le syndrome de Marfan, qui affecte le tissu conjonctif, le syndrome de Job, un trouble du système immunitaire et certaines formes. du cancer – qui sont causés par l’activité d’une seule copie endommagée d’un gène.

Les chercheurs ont noté que bien que CRISPRoff soit exceptionnellement prometteur, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour réaliser son plein potentiel thérapeutique. Le temps nous dira si CRISPRoff et des technologies similaires sont effectivement «l’avenir de la médecine».

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