Nouveaux systèmes CRISPR découverts, améliorant la précision de l’édition génétique

Qu’est‑ce qui nous rend uniques ? Différents de la plupart, mais similaires à quelques‑uns ? Qu’est‑ce qui façonne notre constitution physique, comportementale et même mentale ? La réponse réside dans nos gènes.

Transmis des parents à leur progéniture, les gènes contiennent l’information qui spécifie les traits physiques et biologiques.

Mais ce n’est pas tout. Les gènes sont également responsables des maladies. Des gènes défectueux peuvent provoquer toutes sortes de problèmes qui se manifestent sous forme de malformations congénitales, de maladies chroniques ou de troubles du développement.

Une méthode très avancée pour y remédier est l’édition génétique ou du génome, qui permet aux scientifiques d’apporter des modifications précises à l’ADN. L’édition génétique consiste à ajouter, supprimer ou modifier le matériel génétique à des emplacements spécifiques.

Ces changements spécifiques et ciblés de l’ADN peuvent entraîner des modifications des traits physiques ou du risque de maladie. 

Cette technologie n’est pas seulement utilisée pour traiter les maladies génétiques en corrigeant les gènes défectueux, mais aussi pour développer de nouveaux traitements et approfondir la compréhension de la fonction des gènes. De plus, elle peut améliorer les cultures en apportant des modifications précises à leur ADN. Une technologie d’édition génétique bien connue et largement utilisée est le CRISPR‑Cas9, qui repose sur un système de défense bactérien naturellement présent.

Le CRISPR‑Cas9 est dérivé du CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), un système immunitaire bactérien qui aide les bactéries à se défendre contre les infections virales en reconnaissant et en détruisant l’ADN viral. 

Dans ce système, le CRISPR agit comme un dispositif de ciblage génétique, tandis que Cas9, une protéine, fonctionne comme des « ciseaux » moléculaires pour couper l’ADN à des sites spécifiques. Il est plus simple, moins cher et plus précis que les techniques d’édition génétique précédentes. 

Une méthode d’édition du génome basée sur la technologie CRISPR‑Cas9 a en fait reçu le prix Nobel de chimie en 2020. C’était la première fois dans l’histoire qu’un prix Nobel était décerné à deux femmes.

CRISPR: Transformer la biologie moderne avec l’édition génétique

Le CRISPR a été identifié pour la première fois il y a quelques décennies. En 1987, Yoshizumi Ishino et son équipe de l’Université d’Osaka l’ont observé dans les génomes bactériens (E. coli). Cependant, ce n’est qu’au début des années 2000 que le rôle du CRISPR en tant qu’immunité bactérienne a été identifié.

Ces dernières années, cette technologie a considérablement progressé et a transformé la biologie moderne.  

Un exemple est l’utilisation du CRISPR–Cas9 pour modifier les cellules d’embryons humains, permettant aux changements génétiques d’être transmis aux générations futures. Cela a été largement désapprouvé, avec des appels à interdire les modifications génétiques héréditaires.

En plus de cela, le CRISPR–Cas9 et les technologies associées sont également utilisées avec succès pour guérir des maladies mortelles. 

Au cours des trois premiers mois de cette année, plusieurs chercheurs ont utilisé le CRISPR pour réaliser plusieurs percées.

Plus tôt ce mois‑ci, une équipe de scientifiques de Colossal Biosciences a créé des « souris laineuses » — des souris à fourrure longue similaire au mammouth laineux disparu. Ils ont réalisé cela en modifiant simultanément sept gènes liés à la croissance des poils, à la couleur et à la texture.

L’équipe travaille sur plusieurs projets de dé‑extinction, dont le thylacine et le dodo, le mammouth étant leur projet phare. Tous ces projets impliquent de prélever des cellules souches d’une espèce étroitement liée à celle disparue, puis de modifier les génomes en fonction de ceux de l’espèce décédée. Pour cela, les chercheurs ont utilisé des variantes des systèmes CRISPR/Cas9 et CRISPR/Cas.

Le mois dernier, des scientifiques du McGovern Institute for Brain Research du MIT et du Broad Institute du MIT et de Harvard ont découvert¹ un système ancien guidé par ARN qui peut élargir la boîte à outils d’édition du génome et simplifier la délivrance des thérapies d’édition génétique.

Ces systèmes, appelés TIGR (Tandem Interspaced Guide RNA), peuvent être reprogrammés pour cibler n’importe quelle séquence d’ADN. Ils possèdent également des modules fonctionnels distincts qui agissent sur l’ADN ciblé. En plus de leur modularité, le TIGR est très compact.

Selon Feng Zhang, professeur de neurosciences au MIT, dont l’équipe a précédemment adapté les systèmes CRISPR bactériens en outils d’édition génétique et découvert diverses protéines programmables :

« C’est un système guidé par ARN très polyvalent avec de nombreuses fonctionnalités diverses. »

Dans leurs travaux les plus récents, l’équipe s’est concentrée sur une caractéristique structurelle de la protéine CRISPR‑Cas9 qui se lie au guide ARN de l’enzyme. Ils ont découvert plus de 20 000 protéines Tas différentes, expérimenté des dizaines d’entre elles, et démontré que certaines pouvaient être programmées pour réaliser des coupes ciblées d’ADN dans des cellules humaines. Ils prévoient maintenant de développer les systèmes TIGR‑Tas en outils programmables.

Les scientifiques explorent même l’édition génétique pour corriger la trisomie au niveau cellulaire. Ils ont récemment réussi à éliminer les copies supplémentaires du chromosome 21 dans des lignées cellulaires de la trisomie 21 en utilisant le CRISPR‑Cas9, rétablissant ainsi une expression génétique normale.

Le syndrome de Down survient lorsqu’il y a une copie supplémentaire du chromosome 21. Cette condition touche environ 1 naissance sur 700, et bien qu’elle soit facilement diagnostiquée tôt, aucun traitement n’existe actuellement.

Mais la dernière percée, réalisée sur des cellules cultivées en laboratoire, a pu éliminer le chromosome supplémentaire des lignées cellulaires de trisomie 21, dérivées à la fois de cellules souches pluripotentes et de fibroblastes cutanés, ne laissant qu’une copie de chaque parent au lieu de deux identiques.

Bien que ce ne soit pas encore prêt pour une utilisation chez les organismes vivants, cela suggère un potentiel d’application dans les neurones et les cellules gliales.

Dans un autre cas, des scientifiques chinois ont mis au point un système d’édition génétique plus sûr en utilisant des virus mortels comme le virus de la dengue afin d’améliorer l’efficacité et la sécurité. Le système utilise de l’ARNm pour éviter le risque que de l’ADN étranger reste et crée des mutations indésirables.

Selon l’équipe de recherche, le système de livraison d’ARNm optimisé « augmente la flexibilité et l’applicabilité de l’édition du génome sans transgène chez les plantes ».

Ainsi, la technologie d’édition génétique a révolutionné non seulement la biologie humaine mais aussi l’agriculture en modifiant l’ADN des plantes pour améliorer des traits souhaitables comme des rendements élevés.

Ce mois‑ci même, des scientifiques de l’Université Johns Hopkins et du Cold Spring Harbor Laboratory ont découvert les gènes clés qui déterminent la taille des fruits. Ces gènes peuvent être contrôlés avec le CRISPR, ouvrant la voie à des productions plus grandes et plus savoureuses.

Cette recherche fait partie d’une initiative plus large visant à cartographier les génomes complets de 22 cultures de solanacées, dont les pommes de terre, les aubergines et les tomates, afin de comprendre et d’améliorer leurs traits génétiques.

« Une fois que vous avez effectué l’édition génétique, il suffit d’une graine pour lancer une révolution. »

– Co‑auteur principal Michael Schatz, généticien à l’Université Johns Hopkins

Tous ces développements montrent jusqu’où la technologie est arrivée, mais ce n’est que le début. Des chercheurs de l’Université Duke et de l’Université d’État de Caroline du Nord ont maintenant découvert de nouveaux systèmes CRISPR‑Cas qui améliorent davantage les capacités des technologies d’édition génétique existantes.
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Faire progresser le CRISPR: De nouveaux systèmes améliorent la précision de l’édition génétique

Depuis la découverte des systèmes CRISPR‑Cas chez les bactéries, de nombreux orthologues ont été identifiés. Les orthologues sont des gènes issus d’un gène ancestral commun à travers un événement de spéciation. Ils sont présents dans différentes espèces et peuvent conserver la même fonction.

Au moins six types et 33 sous‑types d’orthologues ont été caractérisés, mais malgré cela, les systèmes de type II sont les plus largement utilisés en biotechnologie et en recherche biomédicale. Ces systèmes de type II utilisent Cas9 pour couper l’ADN.

La facilité de reprogrammer les sites cibles de Cas9 l’a rendu si populaire et a déclenché une vague de thérapies potentielles d’édition du génome.

Cependant, malgré l’abondance des systèmes bactériens CRISPR‑Cas9, peu sont efficaces dans les cellules humaines, limitant le potentiel global de la technologie CRISPR.

Cela crée un besoin d’orthologues Cas9 supplémentaires pour élargir la gamme de séquences d’ADN ciblables. Cela aidera également à surmonter les limitations de taille de livraison et à améliorer la spécificité et l’efficacité de l’édition génétique CRISPR‑Cas9.

Ainsi, les chercheurs de l’Université Duke et de l’Université d’État de Caroline du Nord ont exploré des milliers de génomes bactériens à la recherche de nouveaux systèmes CRISPR‑Cas et ont découvert certains qui peuvent être ajoutés à la boîte à outils d’édition génétique.

L’étude, publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)² ce mois‑ci, élargit efficacement l’impact de la technologie sur la recherche, la médecine et la biotechnologie.

« Il est en fait remarquable que les premiers systèmes CRISPR‑Cas utilisés par les chercheurs sur des cellules humaines soient toujours ceux qui fonctionnent le mieux. Nous voulions explorer les bactéries provenant d’environnements plus obscurs à la recherche de différents systèmes CRISPR qui pourraient avoir des capacités différentes. »

– Charlie Gersbach, professeur d’ingénierie biomédicale à Duke

Parmi les génomes bactériens récemment découverts, un système particulier dérivé de bactéries, généralement présentes chez les vaches laitières, montre un potentiel pour la santé humaine.

Cet effecteur orthogonal permet un ciblage complémentaire et flexible de diverses séquences génétiques pour l’édition du génome de prochaine génération.

Le système est également très efficace, comparable au CRISPR‑Cas9 de Streptococcus pyogenes largement utilisé. Streptococcus pyogenes est l’espèce bactérienne sur laquelle le CRISPR‑Cas9 et la plupart des recherches ultérieures utilisant le CRISPR sont basés.

Selon Rodolphe Barrangou, professeur de Sciences de l’alimentation, du bioprocédés et de la nutrition à l’Université d’État de Caroline du Nord :

« Il existe beaucoup plus de diversité de systèmes CRISPR‑Cas dans la nature que les gens ne l’apprécient, et il peut être très utile d’exploiter des effecteurs divers avec un potentiel fonctionnel en tant que machines moléculaires. »

Quelques années avant que l’article sur la technologie ne reçoive le prix Nobel, Barrangou avait caractérisé le CRISPR comme un système de défense chez les bactéries utilisées dans les cultures de démarrage laitières, et depuis, son laboratoire explore sa diversité pour les probiotiques, la fabrication alimentaire, l’édition des génomes d’arbres et la modification des propriétés du bois.
Barrangou a déclaré ce qui suit à propos des dernières recherches :

« Alors que certains effecteurs existants comme SpyCas9 ont déjà montré un grand potentiel en clinique, nous devons élargir la boîte à outils CRISPR pour la manipulation de prochaine génération du génome, du transcriptome et de l’épigénome. »

Il a développé un programme appelé « CRISPRdisco », qui identifie les systèmes CRISPR‑Cas dans de grandes bases de données de génomes bactériens. Le programme a aidé les chercheurs à identifier plus de 1000 systèmes CRISPR différents et inexplorés.

Les chercheurs ont réduit ces systèmes à seulement 50 candidats pour que le laboratoire de Gersbach les ingénieure.

Après avoir testé ces systèmes CRISPR dans des cellules humaines pour leurs capacités en tant qu’activateurs de gènes, répresseurs et éditeurs génétiques et épigénétiques, quatre systèmes se sont démarqués par leurs succès individuels.

L’un d’eux (SubCas9) était particulièrement remarquable par sa polyvalence. Ce composant CRISPR prometteur se trouve dans la bactérie Streptococcus uberis, couramment présente chez les vaches laitières et également utilisée dans certains produits probiotiques humains.

Les chercheurs sont enthousiastes à propos de SubCas9 pour plusieurs raisons. Tout d’abord, la petite taille du nouveau système — plus petite que le scalpel moléculaire d’ADN Cas9 conventionnel — permet une livraison plus facile dans les cellules humaines. 

De plus, il peut cibler des séquences géniques uniques qui sont inaccessibles aux autres systèmes, y compris le homologue original. 

Le Cas9 généralement utilisé agit sur des cibles génomiques adjacentes à la séquence d’ADN « GG », qui est « une séquence d’ADN assez courante ». Cependant, si un GG n’est pas à proximité, il faut une alternative, et le nouveau système offre cela en travaillant sur des sites voisins des motifs « AATA » ou « AGTA ».

« Ce système peut offrir aux chercheurs la flexibilité d’utiliser différents Cas9 lorsqu’ils ont besoin d’une grande précision dans le choix du site cible. »

– Gabe Butterfield, le postdoc du laboratoire Gersbach

De plus, il est moins susceptible d’être reconnu par le système immunitaire humain puisque S. uberis n’est généralement pas présent chez l’homme. Cela diffère des espèces bactériennes, qui sont utilisées pour isoler les protéines Cas9 plus courantes. 

Ainsi, s’il est utilisé dans une application thérapeutique, le système immunitaire de la plupart des personnes ne reconnaîtrait pas SubCas9 provenant d’une exposition naturelle antérieure.

« En plus du potentiel pour les applications thérapeutiques, nous apprécions également que les bactéries qui se sont adaptées à des habitats divers possèdent des effecteurs mieux adaptés à différents types d’hôtes, avec un grand potentiel de découverte de systèmes plus appropriés pour les plantes, le bétail et les applications environnementales. »

– Barrangou

Dans l’étape suivante, les chercheurs examineront la capacité de SubCas9 à contourner l’immunité préexistante comme ils l’attendent. Ils testent également son incorporation dans plusieurs thérapies cellulaires et géniques. Les chercheurs pourraient également retourner aux vastes bases de données métagénomiques bactériennes pour trouver davantage de systèmes CRISPR à étudier.

Dans l’ensemble, les dernières avancées de l’édition génétique CRISPR‑Cas9 représentent une percée majeure qui peut améliorer de façon significative les techniques de thérapie génique, permettant des traitements plus précis et efficaces des troubles génétiques, des cancers et d’autres maladies.

Compte tenu du rythme rapide de la recherche sur le CRISPR, ces nouveaux systèmes pourraient être intégrés aux applications cliniques d’ici les 3 à 5 prochaines années, sous réserve de validations supplémentaires et d’approbations réglementaires.

Entreprise innovante

Editas Medicine, Inc.

Editas Medicine (EDIT ) est une société leader en édition du génome, axée sur le développement de thérapies basées sur le CRISPR pour traiter un éventail de maladies graves.

Il s’agit d’une société d’édition du génome en phase clinique développant des médicaments d’édition génétique administrés in vivo, où le traitement est injecté directement chez le patient pour éditer les cellules à l’intérieur de son corps. Le PDG Gilmore O’Neill, M.B., M.M.Sc, plus tôt ce mois‑ci, en partageant les mises à jour commerciales, a déclaré :

« Notre objectif et notre stratégie pour devenir leader de l’édition génétique in vivo ont accéléré au quatrième trimestre après que nous ayons atteint la preuve de concept préclinique in vivo en avance sur le calendrier et partagé des données précliniques in vivo positives démontrant le potentiel de notre technologie de plateforme pour obtenir une sur‑régulation génétique, c’est‑à‑dire amplifier l’expression d’une protéine existante afin d’atteindre des niveaux cliniquement pertinents qui pourraient potentiellement conduire à des guérisons à travers les tissus avec une seule dose. »

Au moment de la rédaction, les actions de la société dont la capitalisation boursière est de 117 millions de dollars se négocient à 1,41 $, en hausse de 11,02 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de -2,88, et le ratio P/E (TTM) est de -0,48.

Plus tôt ce mois‑ci, la société a annoncé ses résultats financiers du quatrième trimestre et de l’ensemble de l’année 2024. La perte nette était de 45,4 millions de dollars, soit 0,55 $ par action, bien supérieure aux 18,9 millions de dollars enregistrés au quatrième trimestre 2023.

Le chiffre d’affaires a diminué à 30,6 millions de dollars, et les dépenses de recherche et développement ont augmenté à 48,6 millions de dollars pendant cette période.

À la fin de 2024, la société disposait de 269,9 millions de dollars en liquidités, équivalents de liquidités et titres négociables, légèrement mieux que le trimestre précédent. Selon l’annonce de la société, elle prévoit que ces fonds, ainsi que les parties retenues des paiements dus en vertu de son accord de licence avec Vertex Pharmaceuticals (VRTX ), financeront à la fois les dépenses d’exploitation et les dépenses d’investissement jusqu’au deuxième trimestre 2027.

Pour l’ensemble de l’année 2024, la perte nette était de 237,1 millions de dollars, soit 2,88 $ par action, les revenus de collaboration ont diminué à 32,3 millions de dollars, les dépenses de R&D ont augmenté à 199,2 millions de dollars, les dépenses générales et administratives ont augmenté à 72 millions de dollars, et les charges de restructuration s’élevaient à 12,2 millions de dollars.

Les réalisations récentes de la société incluent la démonstration d’une preuve de concept préclinique (PoC) chez des souris humanisées et des primates non humains.

Cette directrice technique, Linda C. Burkly, Ph.D., a déclaré que cela montre la capacité de la société à « obtenir une édition génétique in vivo via la sur‑régulation génétique afin d’augmenter le niveau d’une protéine fonctionnelle pour traiter les maladies causées par une perte de fonction ou des mutations délétères ». Elle a également partagé le potentiel de la stratégie de sur‑régulation génétique à travers plusieurs tissus avec le programme « plug ‘n play ».

Editas a également indiqué qu’elle était en bonne voie d’annoncer un candidat de développement in vivo pour les cellules souches hématopoïétiques et les cellules hépatiques à la mi‑2025, et d’ici la fin de l’année, elle prévoit de partager davantage de données précliniques in vivo sur les cellules souches hématopoïétiques et le foie.

Dans ce contexte, la société a mis fin à son programme reni‑cel destiné à traiter la drépanocytose (SCD) après que sa recherche approfondie n’ait pas trouvé de partenaire commercial. Avec cette décision, l’entreprise a lancé des mesures de réduction des coûts, prévoyant de diminuer ses effectifs de 65 %, soit environ 180 emplois.

Dernières nouvelles d’Editas Medicine, Inc.

Conclusion

Au cours de la dernière décennie, les technologies basées sur le CRISPR ont révolutionné la biotechnologie en permettant l’édition du génome. Elles ont créé de nouvelles opportunités diversifiées pour la recherche biomédicale, l’édition thérapeutique du génome et de l’épigénome. 

Cependant, les approches actuelles rencontrent des limites en raison de leur focalisation disproportionnée sur un seul effecteur Cas9 avec une efficacité sélective et une spécificité de ciblage restreinte. 

La découverte de nouveaux systèmes CRISPR‑Cas représente une avancée majeure dans l’édition génétique. En élargissant la précision, l’efficacité et la polyvalence des technologies actuelles, la dernière étude promet des traitements plus ciblés des troubles génétiques et des résultats agricoles améliorés. Avec des chercheurs qui affinent ces systèmes, une fois adoptés dans le monde réel, la prochaine génération d’édition génétique pourrait ouvrir de nouveaux horizons en médecine et en biotechnologie !

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