Décoder la structure d'un système CRISPR basé sur l'ARN

Décoder la structure d'un système CRISPR basé sur l'ARN

Des chercheurs de l'Institut Salk découvrent les détails moléculaires d'un nouvel outil de génie génétique

LA JOLLA — Ces dernières années, CRISPR-Cas9 a dépassé le stade du laboratoire pour entrer dans l'air du temps. Cet outil d'édition génétique est prometteur pour corriger les défauts cellulaires et potentiellement guérir ou prévenir de nombreuses maladies humaines. Mais le système Cas9 modifie l'ADN, et non l'ARN, et certains experts pensent que la possibilité de modifier l'ARN pourrait s'avérer tout aussi utile.

Des scientifiques du Salk Institute présentent pour la première fois la structure moléculaire détaillée de CRISPR-Cas13d, une enzyme prometteuse pour les nouvelles technologies d'édition de l'ARN. Ils ont pu visualiser l'enzyme grâce à la cryomicroscopie électronique (cryo-EM), une technologie de pointe qui permet aux chercheurs de capturer la structure de molécules complexes avec une précision sans précédent. Les résultats ont été publiés le 20 septembre 2018 dans la revue. Cellule.

« Cet article fournit un modèle moléculaire pour l'ingénierie génétique ciblant l'ARN », déclare le professeur adjoint Salk. Dmitri Lyumkis, biologiste structural et l'un des auteurs correspondants de l'étude. « Cela enrichit la gamme d'outils nécessaires à la conduite de ce type de recherche biomédicale cruciale. »

Dérivé de gènes initialement découverts chez des bactéries, CRISPR a été décrit comme un « ciseaux moléculaires » ou un « programme de traitement de texte pour cellules vivantes ». Il remplace un segment de code génétique par un autre. Dans le système CRISPR-Cas9, Cas9 est l'enzyme qui coupe l'ADN. Disposer d'outils d'édition pour l'ARN permettrait cependant aux scientifiques de modifier l'activité d'un gène sans altérer de manière permanente, et potentiellement dangereuse, le gène lui-même.

« L'ADN est constant, mais ce qui change constamment, ce sont les messages ARN qui sont copiés à partir de l'ADN », explique Silvana Konermann, chercheuse associée à Salk, boursière Hanna Gray du Howard Hughes Medical Institute et l'une des premières auteures de l'étude. « Pouvoir moduler ces messages en contrôlant directement l'ARN a des implications importantes pour influencer le destin d'une cellule. »

Plus tôt cette année, Konermann et Patrick Hsu, boursier Helmsley-Salk publié un autre article dans Cellule Ils ont découvert la famille d'enzymes CRISPR-Cas13d et ont démontré l'efficacité de ce système CRISPR alternatif pour reconnaître et couper l'ARN. L'équipe a également démontré que cet outil pouvait être utilisé pour corriger un déséquilibre protéique pathogène dans les cellules d'une personne atteinte de démence.

La nouvelle étude, fruit d'une collaboration entre les laboratoires Lyumkis et Hsu, s'appuie sur la découverte de la famille Cas13d et fournit les détails moléculaires qui expliquent son fonctionnement.

« Dans notre article précédent, nous avons découvert une nouvelle famille CRISPR permettant de fabriquer de l'ARN directement à l'intérieur des cellules humaines », explique Hsu, co-auteur de ces nouveaux travaux. « Maintenant que nous avons pu visualiser la structure de Cas13d, nous pouvons observer plus en détail comment l'enzyme est guidée vers l'ARN et comment elle est capable de le couper. Ces connaissances nous permettent d'améliorer le système et de rendre le processus plus efficace, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles stratégies pour traiter les maladies liées à l'ARN. »

L'équipe a utilisé la cryo-EM pour révéler de nouveaux détails sur Cas13d en gelant l'enzyme dans différents états dynamiques, permettant aux chercheurs de décoder une gamme d'activités au lieu de simplement voir une activité à un moment donné.

« Cela nous a permis de comprendre comment Cas13d guide, lie et cible l'ARN », explique Cheng Zhang, chercheur associé au laboratoire Lyumkis et autre auteur principal de l'article. « Nous espérons que ces nouvelles connaissances contribueront à étendre la puissance des outils d'édition génétique. »

Les autres auteurs de l'article étaient Nicholas J. Brideau et Peter Lotfy de Salk ; Xuebing Wu du Whitehead Institute for Biomedical Research ; et Scott J. Novick, Timothy Strutzenberg et Patrick R. Griffin du Scripps Research Institute.

Ce travail a été soutenu par une bourse Hannah H. Gray du Howard Hughes Medical Institute, une bourse de la Fondation Helen Hay Whitney, des subventions des National Institutes of Health NIH-NCI CCSG P30 014195, DP5 OD021369, DP5 OD021396 et U54GM103368 et le Helmsley Charitable Trust.