Les chercheurs de l'Institut Salk ont ​​découvert le Saint Graal de l'édition de gènes : la capacité, pour la première fois, d'insérer de l'ADN à un emplacement cible dans les cellules qui ne se divisent pas et qui constituent la majorité des organes et 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, comme pour les maladies rétiniennes, cardiaques et neurologiques.

"Nous sommes très enthousiasmés par la technologie que nous avons découverte car 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 se divisent pas et modifient l'ADN à volonté. Les applications possibles de cette découverte sont vastes.

Jusqu'à présent, les techniques qui modifient l'ADN, telles que le système CRISPR-Cas9, ont été les plus efficaces pour diviser les cellules, telles que 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 des cultures de cellules en division, ce qui en fait un outil prometteur pour la recherche et la médecine. Mais, plus important encore, la technique de Salk représente la première fois que des scientifiques ont réussi à insérer un nouveau gène dans un emplacement précis de l'ADN dans des cellules adultes qui ne se divisent plus, telles que celles de l'œil, du cerveau, du pancréas ou du cœur, offrant de nouvelles possibilités pour applications thérapeutiques dans ces cellules.

Pour y parvenir, les chercheurs de Salk ont ​​ciblé une voie cellulaire de réparation de l'ADN appelée NHEJ (pour « non-homologous end-joining »), qui répare les cassures de routine de l'ADN en rejoignant les extrémités des brins d'origine. Ils ont associé ce processus à la technologie d'édition de gènes existante pour placer avec succès le nouvel ADN à un emplacement précis dans des cellules qui ne se divisent pas.
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 l'édition du génome dans des organismes adultes vivants", déclare Keiichiro Suzuki, associé de recherche principal au laboratoire Izpisua Belmonte et l'un des principaux auteurs de l'article. "Personne n'a fait ça avant."

Tout d'abord, l'équipe de Salk a travaillé sur l'optimisation de la machinerie NHEJ pour une utilisation avec le système CRISPR-Cas9, qui permet d'insérer de 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 délivrer le paquet 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 sans division", explique Jun Wu, scientifique et co-auteur principal. Avec cet exploit à leur actif, l'équipe a ensuite livré avec succès la construction au cerveau de souris adultes. Enfin, pour explorer la possibilité d'utiliser HITI pour la thérapie de remplacement de gènes, l'équipe a testé la technique sur un modèle de rat pour la rétinite pigmentaire, une dégénérescence rétinienne héréditaire qui provoque la cécité chez l'homme. Cette fois, l'équipe a utilisé HITI pour délivrer 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 lorsque les rats avaient 8 semaines a montré que les animaux étaient capables de réagir à la lumière et ont réussi plusieurs tests indiquant une 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 de Salk. "Ce premier succès suggère que cette technologie est très prometteuse."

Les prochaines étapes de l'équipe consisteront à améliorer l'efficacité de livraison de la construction HITI. Comme avec 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 tout système d'ingénierie du génome ciblé, pas seulement CRISPR-Cas9. Ainsi, à mesure que la sécurité et l'efficacité de ces systèmes s'améliorent, l'utilité du HITI augmente également.

"Nous avons maintenant 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 passionnant."