Des scientifiques découvrent un système de nouvelle génération pour la conception programmable du génome

Dans une avancée majeure pour le génie génétique, une équipe de chercheurs de l’Institut Arc a découvert le mécanisme de la recombinase pont, un outil précis et puissant pour recombiner et réarranger l’ADN de manière programmable.

L’étude publiée aujourd’hui dans Nature rapporte leur découverte de la première ADN recombinase qui utilise un ARN non codant pour la sélection spécifique à une séquence de molécules d’ADN cibles et donneuses. Cet ARN pont est programmable, permettant à l’utilisateur de spécifier n’importe quelle séquence cible génomique souhaitée et n’importe quelle molécule d’ADN donneur à insérer.

“Le système d’ARN pont est un mécanisme fondamentalement nouveau pour la programmation biologique”, a déclaré Hsu, auteur principal de l’étude et chercheur principal à l’Arc Institute et professeur adjoint de bioingénierie à l’UC Berkeley. “La recombinaison de ponts peut modifier universellement le matériel génétique par le biais d’une insertion, d’une excision, d’une inversion spécifiques à une séquence, etc., permettant ainsi un traitement de texte pour le génome vivant au-delà de CRISPR.”

Matthew Durrant, scientifique principal à l’Arc, et Nick Perry, étudiant diplômé en bio-ingénierie à l’UC Berkeley, sont les principaux auteurs de la découverte. La recherche a été développée en collaboration avec les laboratoires de Silvana Konermann, chercheuse principale de l’Arc Institute et professeur adjoint de biochimie à l’Université de Stanford, et Hiroshi Nishimasu, professeur de biologie structurale à l’Université de Tokyo.

ARN programmable

Le système de recombinaison pont provient des éléments de la séquence d’insertion 110 (IS110), l’un des innombrables types d’éléments transposables – ou « gènes sauteurs » – qui se coupent et se collent pour se déplacer à l’intérieur et entre les génomes microbiens. Les éléments transposables se trouvent dans toutes les formes de vie et ont évolué pour devenir des machines professionnelles de manipulation de l’ADN afin de survivre. Les éléments IS110 sont très minimes, constitués uniquement d’un gène codant pour l’enzyme recombinase, ainsi que de segments d’ADN adjacents qui sont, jusqu’à présent, restés un mystère.

Le laboratoire Hsu a découvert que lorsque IS110 s’excère d’un génome, les extrémités non codantes de l’ADN sont réunies pour produire une molécule d’ARN – l’ARN pont – qui se replie en deux boucles. Une boucle se lie à l’élément IS110 lui-même, tandis que l’autre boucle se lie à l’ADN cible où l’élément sera inséré. L’ARN pont est le premier exemple de molécule guide bispécifique, spécifiant la séquence de l’ADN cible et de l’ADN donneur par le biais d’interactions d’appariement de bases.

Chaque boucle de l’ARN pont est programmable indépendamment, permettant aux chercheurs de mélanger et de faire correspondre n’importe quelle séquence d’ADN cible et donneur d’intérêt. Cela signifie que le système peut aller bien au-delà de son rôle naturel qui consiste à insérer l’élément IS110 lui-même, en permettant plutôt l’insertion de toute cargaison génétique souhaitable, comme une copie fonctionnelle d’un gène défectueux causant une maladie, dans n’importe quel emplacement génomique. Dans ce travail, l’équipe a démontré une efficacité d’insertion de plus de 60 % d’un gène souhaité dans E. coli avec une spécificité de plus de 94 % pour l’emplacement génomique correct.

“Ces ARN pont programmables distinguent IS110 des autres recombinases connues, qui manquent de composant ARN et ne peuvent pas être programmées”, a déclaré Nick Perry, étudiant diplômé. “C’est comme si le pont RNA était un adaptateur secteur universel qui rend l’IS110 compatible avec n’importe quelle prise.”

La découverte du laboratoire Hsu est complétée par leur collaboration avec le laboratoire du Dr Hiroshi Nishimasu de l’Université de Tokyo, également publiée aujourd’hui dans Nature. Le laboratoire de Nishimasu a utilisé la cryomicroscopie électronique pour déterminer les structures moléculaires du complexe d’ARN pont-recombinase lié à l’ADN cible et donneur, progressant séquentiellement à travers les étapes clés du processus de recombinaison.

Avec une exploration et un développement plus poussés, le mécanisme de pont promet d’inaugurer une troisième génération de systèmes guidés par l’ARN, s’étendant au-delà des mécanismes de coupure de l’ADN et de l’ARN de CRISPR et de l’interférence ARN (ARNi) pour offrir un mécanisme unifié pour les réarrangements programmables de l’ADN. Essentielle au développement ultérieur du système de recombinaison de pont pour la conception du génome des mammifères, la recombinase de pont rejoint les deux brins d’ADN sans libérer de fragments d’ADN coupés, contournant ainsi une limitation clé des technologies d’édition du génome de pointe actuelles.

“Le mécanisme de recombinaison en pont résout certains des défis les plus fondamentaux auxquels sont confrontées les autres méthodes d’édition du génome”, a déclaré Durrant, codirecteur de la recherche. “La capacité de réorganiser de manière programmable deux molécules d’ADN ouvre la porte à des percées dans la conception du génome.”

Parmi les autres co-auteurs figurent James Pai et Aditya Jangid (Arc Institute et Université de Californie, Berkeley) ; Januka Athukoralage, John McSpedon et April Pawluk (Arc Institute) ; et Masahiro Hiraizumi (Université de Tokyo).