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| L’image de Caitlin Sedwick est proposée par le département de biologie moléculaire de l'Université de Princeton. |
La possibilité de modifier le génome en modifiant la séquence d'ADN à l'intérieur d'une cellule vivante est puissante pour la recherche et est très prometteuse pour le traitement des maladies. Cependant, les technologies de l'édition du génome (genome éditing) existantes entraînent fréquemment des mutations indésirables ou peuvent ne pas introduire de changements du tout. Ces problèmes ont empêché le domaine d'atteindre son plein potentiel.
Des chercheurs dirigés par Britt Adamson de Princeton ont découvert un nouvel outil pour améliorer la méthode d'édition du génome selon CRISPR-Cas9. Ils l'appellent Repair-seq, représenté dans l’image comme une loupe. Repair-seq permet aux chercheurs de voir rapidement comment les différents gènes impliqués dans la réparation des dommages à l'ADN (ambulances) affectent la précision et l'efficacité des technologies d'édition du génome.
«Nous savons depuis longtemps que les mécanismes impliqués dans la réparation de l'ADN brisé sont essentiels pour l'édition du génome, car pour modifier la séquence de l'ADN, il faut d'abord le casser», a déclaré Adamson, auteur principal de l'étude et professeur au Département de biologie moléculaire de Princeton. «Mais ces processus sont incroyablement complexes et donc souvent difficiles à démêler.»
Pour réparer l'ADN, les cellules utilisent de nombreux mécanismes différents, chacun impliquant plusieurs gènes travaillant ensemble dans des voies distinctes. Repair-seq permet aux chercheurs de sonder la contribution de chacune de ces voies à la réparation de l'ADN en décrivant comment les mutations observées changent lorsqu'un de ces facteurs est supprimé, et de le faire pour des centaines de gènes simultanément.
Cela permet aux scientifiques de poser des questions de base sur la biologie de la réparation de l'ADN et d'étudier l'impact des mécanismes de réparation de l'ADN sur les technologies d'édition du génome. Adamson et ses collègues ont d'abord appliqué leur méthode à l'une des approches d'édition du génome les plus couramment utilisées, qui utilise la nucléase bactérienne Cas9 pour couper les deux brins de la molécule d'ADN double-brin, créant des lésions appelées cassures double-brin.
«L'édition avec des cassures double-brin a longtemps été le pain et le beurre de l'édition du génome, mais apporter des modifications voulues sans mutations indésirables a été un énorme défi. Nous avons cherché à comprendre les mécanismes derrière autant de ces événements de mutation que possible, estimant que cela pourrait nous aider à optimiser le système», a déclaré Adamson.
Dirigée par le premier auteur Jeff Hussmann, chercheur postdoc dans le laboratoire de Jonathan Weissman, l'équipe a utilisé les données de Repair-seq pour cartographier comment différentes voies de réparation de l'ADN sont liées à des types particuliers de mutations induites par Cas9.
L'analyse de Hussmann a détecté des voies déjà connues ainsi que de nouvelles impliquées dans la réparation des cassures double-brin. Il a également mis en évidence l'énorme complexité et la myriade de systèmes impliqués dans la réparation des cassures double-brin.
L'ensemble des données déterrées dans ce travail est désormais publié sur un portail en ligne que d'autres peuvent utiliser pour interroger les voies de réparation de l'ADN ou des protéines.
Par coïncidence, alors que ces études initiales étaient en cours d'achèvement, une équipe dirigée par David Liu du Broad Institute du MIT et de Harvard développait un système d'édition du génome appelé «prime editing» (ou édition primaire) qui ne repose pas sur la création de cassures double-brin. L'édition primaire a généralement un faible taux de réussite, mais Adamson et Hussmann ont estimé que l'étude des voies de réparation de l'ADN impliquées dans l'édition primaire pourrait aider à identifier des pistes d'amélioration. Ils se sont donc associés à Liu pour étudier l'édition primaire à l'aide de Repair-seq.
«Travailler ensemble a été un énorme avantage», a déclaré Adamson. «Pour nous, ce fut une expérience fantastique de science collaborative et axée sur l'équipe.»
Les chercheurs collaborateurs ont découvert que la capacité d'obtenir les éditions voulues avec l'édition primaire était affectée par les protéines dans une voie de réparation: la voie de réparation des mésappariements de l'ADN. Ils ont ensuite montré que l'inhibition ou le contournement de cette voie améliorait considérablement l'efficacité et la précision des résultats de l’édition primaire, positionnant l'édition primaire pour devenir une technologie d'édition du génome prééminente.
Surtout, ce travail démontre également comment Repair-seq peut être utilisé pour améliorer d'autres technologies d'édition du génome.
Démontrant davantage l'utilité de Repair-seq, les chercheurs collaborateurs l'ont également appliqué à une troisième technologie du système de l'édition du génome, également développée par Liu. Les résultats de cette étude ont été récemment publiés dans Nature Biotechnology.
«Repair-seq est un beau mariage de connaissances technologiques et de connaissances biologiques», a déclaré John Doench, directeur de la recherche et du développement au Genetic Perturbation Program du Broad Institute, qui n'a pas été pas impliqué dans les travaux.
«Et pour le travail sur le prime éditing, quel bel exemple de collaboration ! Les éditeurs primaires se sont souvent avérés difficiles à travailler ensemble, et cet article commence à comprendre pourquoi, tout en lançant de nouvelles solutions», a-t-il ajouté.
«Nous voyons Repair-seq comme un outil qui vous permet de prendre une image détaillée de ce que font vos éditeurs, puis d'évaluer très rapidement, ‘Est-ce un paysage dans lequel je peux me frayer un chemin jusqu'aux principes de conception qui aideront à améliorer le outil?'», a déclaré Adamson. «Nous sommes vraiment ravis d'améliorer Repair-seq et d'explorer ses futures applications.»
«Mapping the genetic landscape of DNA double-strand break repair», by Jeffrey A. Hussmann, Jia Ling, Purnima Ravisankar, Jun Yan, Ann Cirincione, Albert Xu, Danny Simpson, Dian Yang, Anne Bothmer, Cecilia Cotta-Ramusino, Jonathan S. Weissman and Britt Adamson, was published in the October 20 issue of Cell (DOI: 10.1016/j.cell.2021.10.002).
«Enhanced prime editing systems through identification and manipulation of cellular determinants of editing outcomes», by Peter J. Chen, Jeffrey A. Hussmann, Jun Yan, Friederike Knipping, Purnima Ravisankar, Pin-Fang Chen, Cidi Chen, James W. Nelson, Gregory A. Newby, Mustafa Sahin, Mark J. Osborn, Jonathan S. Weissman, Britt Adamson and David R. Liu, was published in the October 14 issue of Cell (DOI: 10.1016/j.cell.2021.09.018).
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