L'édition de gènes révolutionne le paysage de la recherche en biosciences et est très prometteuse pour « supprimer » les maladies du corps humain. Sandia National Laboratories s'efforce de rendre cette technologie plus sûre et de garantir qu'elle puisse un jour être administrée à l'homme sans déclencher de réactions indésirables du système immunitaire ni provoquer d'autres effets secondaires indésirables.

Le biochimiste de Sandia, Joe Schoeniger, explique que la technologie d'édition de gènes est basée sur une "course aux armements vieille d'un milliard d'années" entre les bactéries et les virus qui tentent de les attaquer.

Les bactéries sauvent des morceaux d'ADN viral envahissant à l'aide d'un système appelé Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats ou CRISPR. Ce système aide les bactéries à reconnaître un virus lorsqu'il revient pour une attaque répétée. Le système CRISPR produit Cas9, une enzyme qui se lie à l'ADN viral incriminé, puis le coupe et le détruit.

Ce système de défense bactérienne peut être programmé. Les scientifiques peuvent envoyer CRISPR-Cas9 à un endroit précis pour modifier un morceau spécifique d'ADN.

La capacité de modifier l'ADN est utile, surtout lorsqu'il s'agit de maladies génétiques, mais les altérations de l'ADN sont actuellement irréversibles. L'utilisation de la technologie telle qu'elle est aujourd'hui pourrait entraîner des effets secondaires dangereux et permanents. Il pourrait couper un génome au mauvais endroit (c'est-à-dire, avoir des effets hors cible), potentiellement à l'origine de maladies.

En outre, CRISPR-Cas9 a besoin d'un transporteur pour être délivré dans les cellules humaines. Typiquement, ce porteur est un virus lié au rhume appelé virus adéno-associé. Selon le virologue de Sandia Oscar Negrete, une majorité de personnes ont été exposées à des souches de ce virus à un moment donné. Cela signifie que les gens fabriquent rapidement des anticorps contre elle, ce qui en fait une thérapie à usage unique. Même lors de cette première utilisation, les patients sont susceptibles d'avoir une réaction immunitaire, Negrete a expliqué. De nouvelles approches sont nécessaires pour permettre au traitement d'être utilisé avec succès plus d'une fois si nécessaire.

Contrôler CRISPR

Pour pouvoir contrôler la technologie CRISPR et l'utiliser sans provoquer de modifications permanentes de l'ADN, la Defense Advanced Research Projects Agency a créé le programme Safe Genes.

Un effort financé dans le cadre de Safe Genes est de 2,5 millions de dollars, projet de deux ans mené par le laboratoire de Jennifer Doudna à l'Université de Californie, Berkeley, en partenariat avec Sandia, et l'Université de Californie, San Francisco. Doudna est un pionnier dans le développement de CRISPR. Si les premières recherches sont fructueuses, La DARPA pourrait prolonger cet effort de deux ans, portant le total à quatre ans et 5 millions de dollars.

Les virus sont capables de modifier leur ADN et de générer de nouvelles protéines anti-CRISPR pour bloquer le système immunitaire bactérien. C'est l'envers de la « course aux armements » bactérie-virus. Ces protéines peuvent fonctionner comme des antidotes, permettant aux éditeurs de gènes d'être désactivés si nécessaire.

L'équipe de Safe Genes tire parti de ces protéines pour développer des inhibiteurs capables de contrôler les effets hors cible de CRISPR. Schoeniger a déclaré que si une dose d'un éditeur de gènes devait être administrée, il pourrait être suivi d'une dose de l'inhibiteur pour l'arrêter, minimiser la durée pendant laquelle des effets hors cible pourraient se produire.

Refaire la cargaison

Ce projet Safe Genes s'appuie sur les travaux en cours à Sandia, qui sont également axés sur la lutte contre les maladies infectieuses à l'aide de l'édition de gènes.

Normalement, le système CRISPR cible l'ADN, mais Sandia a collaboré avec l'équipe de Doudna pour créer un système CRISPR qui cible plutôt l'ARN. L'attaque directe de l'ARN viral est susceptible d'être efficace contre la plupart des agents pathogènes préoccupants en matière de biosécurité, dit Négrete.

Il existe déjà des systèmes CRISPR qui ciblent l'ARN, mais ces systèmes entraînent une dégradation générale de l'ARN. Ce nouveau système de ciblage d'ARN peut affecter des ARN humains ou animaux spécifiques, y compris ceux connus pour coder des protéines qui facilitent l'infection virale.

"Certaines protéines sont des passerelles connues pour les envahisseurs, " expliqua Negrete. " Si vous éliminez ces protéines via leurs ARN codants, les agents pathogènes ne peuvent pas pénétrer dans vos cellules et vous n'avez apporté aucun changement permanent à votre génome."

Développer des applications CRISPR sécurisées

Pour le projet Safe Genes, Sandia testera la technologie CRISPR de ciblage d'ARN contre une variété de virus. L'équipe Sandia livrera les CRISPR à des cellules de mammifères infectées par une variété de virus à ARN, y compris Ebola et le virus de la fièvre de la vallée du Rift, qui provoquent des symptômes tels que la fièvre hémorragique. Ensuite, ils mesureront le niveau de virus restant dans les cellules après le traitement.

"Idéalement, nous aimerions voir le niveau de virus réduit à zéro. Si ce n'est pas le cas, la technologie CRISPR devrait être modifiée, " a déclaré Negrete.

En outre, l'équipe de l'UCSF développe des technologies dérivées de CRISPR pour activer et désactiver les gènes sans modifier l'ADN. Pour cette application, l'équipe exploite CRISPR pour la méthylation ciblée de l'ADN. La méthylation de l'ADN est un mécanisme non destructif de régulation de l'expression génique qui se produit naturellement tout au long du cycle de vie des mammifères.

Negrete croit ce travail, en cas de succès, représenterait un bond en avant pour la virologie car les nouvelles technologies CRISPR attaqueraient les maladies de plusieurs manières. Actuellement, les vaccins ciblent des souches uniques d'un virus. Sandia's Safe Genes project is working toward solutions that target all the strains of a virus, as well as finding ways to repair infected host and human cells.

"It's cumbersome to create new treatments for each and every bug, and not feasible for quickly responding to emerging threats. One treatment for each and every strain that appears, as well as all the related viruses – it's a much better strategy, " Negrete said. "It's like the leap from eliminating one letter with a pencil eraser to hitting control-A and deleting an entire paragraph."