Dans une étude publiée dans Advanced Science , des chercheurs de l'Université d'Hiroshima et de l'Institut national japonais des sciences et technologies industrielles avancées démontrent comment les systèmes d'assemblage modulaires basés sur l'apprentissage automatique peuvent améliorer l'édition génétique.

"L'édition du génome est un outil prometteur pour le traitement des troubles génétiques dans un certain nombre de domaines différents", a déclaré Shota Katayama, professeur agrégé au Centre d'innovation en édition du génome de l'Université d'Hiroshima. "En améliorant l'efficacité des technologies d'édition génétique, nous pouvons obtenir une plus grande précision dans les modifications de l'information génétique dans les cellules vivantes."

Aux côtés de CRISPR/Cas9 et TALEN, la nucléase à doigt de zinc est un outil important dans le domaine de l'édition du génome. Conçues pour rompre certaines liaisons au sein de la chaîne polynucléotidique d’une molécule d’ADN, ces protéines chimériques sont constituées de deux domaines fusionnés :les domaines de liaison à l’ADN et les domaines de clivage de l’ADN. Le domaine de liaison à la protéine du doigt de zinc (ZF) reconnaît la séquence d'ADN ciblée dans le génome complet, tandis que le domaine de clivage implique une enzyme spéciale coupant l'ADN appelée endonucléases ND1.

Les ZFN présentent quelques avantages par rapport à CRISPR/Cas9 et TALEN :premièrement, contrairement à CRISPR-Cas9, les brevets des ZFN ont déjà expiré, ce qui exclut des redevances élevées sur les brevets pour les applications industrielles. Deuxièmement, les ZFN sont plus petits, ce qui permet à l'ADN codant pour ZFN d'être facilement empaqueté dans un vecteur viral avec un espace de chargement limité pour des applications in vivo et cliniques.

Pour couper l’ADN, deux ZFN doivent être liés. Ils doivent donc être conçus par paires pour être fonctionnels sur tout nouveau site. Cependant, la construction de ZFN fonctionnels et l'amélioration de leur efficacité d'édition du génome se sont révélées difficiles.

"Nous avons fait d'énormes progrès dans les méthodes permettant de dériver des ensembles de doigts de zinc pour de nouvelles cibles génomiques, mais il reste encore de la place pour améliorer nos approches en matière de conception et de sélection", a déclaré Katayama.

Des méthodes basées sur la sélection peuvent être utilisées pour construire des protéines ZF assemblées, mais ces méthodes demandent beaucoup de travail et de temps. Une approche alternative pour construire des protéines ZF assemblées consiste à assembler des modules ZF à l’aide de techniques standard de biologie moléculaire. Cette méthode offre aux chercheurs une méthode beaucoup plus simple pour construire des protéines ZF assemblées.

Cependant, les ZFN assemblés de manière modulaire comportent un petit nombre de paires ZFN fonctionnelles avec un taux de défaillance de 94 % pour les paires ZFN testées.

Dans leur étude, les chercheurs de l'Université d'Hiroshima et de l'Institut national japonais des sciences et technologies industrielles avancées ont cherché à créer une nucléase à doigt de zinc plus efficace et plus facile à construire pour l'édition génétique en utilisant des ressources accessibles au public dans un système d'assemblage modulaire.

Un facteur important dans la conception des ZFN est le nombre de doigts de zinc requis pour un clivage efficace et spécifique. L'équipe a émis l'hypothèse que l'assemblage modulaire des modules ZF serait utile pour construire des ZFN à cinq ou six doigts.

Dans leur publication, l'équipe de recherche a présenté une méthode pour augmenter l'efficacité de la construction de ZFN fonctionnels et l'amélioration de leur efficacité d'édition du génome à l'aide de trois outils de modélisation de biomolécules :AlphaFold, Coot et Rosetta.

Sur les 10 ZFN testés, les chercheurs ont obtenu deux paires fonctionnelles. De plus, l'ingénierie des ZFN à l'aide d'AlphaFold, Coot et Rosetta a augmenté l'efficacité de l'édition du génome de 5 %, démontrant l'efficacité de l'ingénierie des ZFN basée sur la modélisation structurelle.