Les chercheurs du Salk Institute ont découvert un Saint Graal de l’édition de gènes : la capacité, pour la première fois, d’insérer de l’ADN à un endroit cible dans les cellules non diviseuses qui constituent la majorité des organes et des tissus adultes.

La technique, dont l’équipe a montré qu’elle était capable de restaurer partiellement les réponses visuelles chez les rongeurs aveugles, ouvrira de nouvelles voies pour la recherche fondamentale et une variété de traitements, tels que pour les maladies rétiniennes, cardiaques et neurologiques.

« Nous sommes très enthousiasmés par la technologie que nous avons découverte parce que c’est quelque chose qui ne pouvait pas être fait auparavant », déclare Juan Carlos Izpisua Belmonte, professeur au Laboratoire d’expression génique de Salk et auteur principal de l’article publié le 16 novembre 2016 dans Nature.

« Pour la première fois, nous pouvons entrer dans des cellules qui ne divisent pas et ne modifient pas l’ADN à volonté. Les applications possibles de cette découverte sont vastes.

Jusqu’à présent, les techniques qui modifient l’ADN, comme le système CRISPR-Cas9, ont été les plus efficaces pour diviser les cellules, comme celles de la peau ou de l’intestin, en utilisant les mécanismes de copie normaux des cellules. La nouvelle technologie Salk est dix fois plus efficace que d’autres méthodes pour incorporer un nouvel ADN dans les cultures de cellules qui se divisent, ce qui en fait un outil prometteur pour la recherche et la médecine. Mais, plus important encore, la technique salk représente la première fois que les scientifiques ont réussi à insérer un nouveau gène dans un emplacement précis de l’ADN dans les cellules adultes qui ne se divisent plus, comme celles de l’œil, du cerveau, du pancréas ou du cœur, offrant de nouvelles possibilités d’applications thérapeutiques dans ces cellules.

Pour ce faire, les chercheurs de Salk ont ciblé une voie cellulaire de réparation de l’ADN appelée NHEJ (pour « jonction d’extrémité non homologue »), qui répare les ruptures d’ADN de routine en rejoignant les extrémités du brin d’origine. Ils ont jumelé ce processus à la technologie d’édition de gènes existante pour placer avec succès le nouvel ADN dans un emplacement précis dans des cellules non diviseuses.
Sur la photo, une partie du cerveau de la souris adulte. Les noyaux cellulaires sont bleus et les neurones modifiés par le génome sont verts.

« L’utilisation de cette voie NHEJ pour insérer un ADN entièrement nouveau est révolutionnaire pour éditer le génome dans des organismes adultes vivants », explique Keiichiro Suzuki, associé de recherche principal au laboratoire Izpisua Belmonte et l’un des auteurs principaux de l’article. « Personne n’a fait cela auparavant. »

Tout d’abord, l’équipe Salk a travaillé à l’optimisation de la machineRIE NHEJ pour une utilisation avec le système CRISPR-Cas9, qui permet d’insérer l’ADN à des endroits très précis dans le génome. L’équipe a créé un package d’insertion personnalisé composé d’un cocktail d’acides nucléiques, qu’ils appellent HITI, intégration ciblée indépendante de l’orthomologie. Ensuite, ils ont utilisé un virus inerte pour fournir l’ensemble d’instructions génétiques de HITI aux neurones dérivés de cellules souches embryonnaires humaines.

« C’était la première indication que HITI pourrait fonctionner dans des cellules non diviseuses », explique Jun Wu, scientifique et co-auteur principal. Avec cet exploit à son actif, l’équipe a ensuite réussi à livrer la construction au cerveau des souris adultes. Enfin, pour explorer la possibilité d’utiliser HITI pour la thérapie de remplacement génétique, l’équipe a testé la technique sur un modèle de rat pour la rétinite pigmentaire, une maladie héréditaire de dégénérescence rétinienne qui provoque la cécité chez l’homme. Cette fois, l’équipe a utilisé HITI pour livrer aux yeux de rats âgés de 3 semaines une copie fonctionnelle de Mertk, l’un des gènes endommagés dans la rétinite pigmentaire. L’analyse effectuée quand les rats étaient 8 semaines a prouvé que les animaux pouvaient répondre à la lumière, et ont passé plusieurs essais indiquant la guérison dans leurs cellules rétiniennes.

« Nous avons pu améliorer la vision de ces rats aveugles », explique la co-auteure principale Reyna Hernandez-Benitez, associée de recherche Salk. « Ce succès précoce suggère que cette technologie est très prometteuse. »

Les prochaines étapes de l’équipe seront d’améliorer l’efficacité de la livraison de la construction HITI. Comme pour toutes les technologies d’édition du génome, obtenir suffisamment de cellules pour incorporer le nouvel ADN est un défi. La beauté de la technologie HITI est qu’elle est adaptable à n’importe quel système d’ingénierie génomique ciblé, pas seulement CRISPR-Cas9. Ainsi, à mesure que la sécurité et l’efficacité de ces systèmes s’amélioreront, l’utilité de HITI s’améliorera également.

« Nous disposons maintenant d’une technologie qui nous permet de modifier l’ADN des cellules qui ne se divisent pas, de réparer les gènes brisés dans le cerveau, le cœur et le foie », explique Izpisua Belmonte. « Cela nous permet pour la première fois de pouvoir rêver de guérir des maladies que nous ne pouvions pas guérir auparavant, ce qui est excitant. »