Les scientifiques continuent d’élargir les frontières technologiques de CRISPR, ainsi que son énorme potentiel, dans des domaines allant de la santé humaine à l’approvisionnement alimentaire mondial. C’est le cas des forçages génétiques basés sur CRISPR, un outil d’édition de gènes conçu pour influencer la façon dont les éléments génétiques sont transmis d’une génération à l’autre.
Les lecteurs de gènes conçus pour les moustiques ont le potentiel de ralentir la propagation des infections paludéennes qui causent des centaines de milliers de décès chaque année, mais des problèmes de sécurité ont été soulevés car ces lecteurs peuvent se propager rapidement et dominer des populations entières. Les scientifiques ont exploré les principes qui régissent la propagation des forçages génétiques dans les populations cibles, telles que les moustiques, en testant de nombreuses combinaisons différentes de composants qui composent l’appareil de forçage. Ils ont toutefois constaté qu’il reste encore beaucoup à explorer et que des questions clés demeurent.
Dans la revue Nature Communication, des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego, dirigés par l’ancien chercheur postdoctoral Gerard Terradas, le chercheur postdoctoral Zhiqian Li et le professeur Ethan Bier, en étroite collaboration avec l’étudiant diplômé de l’UC Berkeley Jared Bennett et le professeur associé John Marshall , décrire le développement d’un nouveau système de test et développer des forçages génétiques en laboratoire et les transformer en toute sécurité en outils pour des applications potentielles dans le monde réel.
« Ces études permettent la réingénierie des systèmes de forçage génétique tout en fournissant des informations importantes sur la façon d’évaluer et d’analyser les interactions clés entre leurs parties mobiles les plus importantes », a déclaré Bier, membre du corps professoral de l’École des sciences biologiques, Département des cellules. et développement. La biologie.
Les forçages génétiques basés sur CRISPR comportent une protéine appelée endonucléase Cas9 et une molécule d’ARN guide qui travaillent ensemble pour diriger des extraits d’ADN vers des sites spécifiques du génome où de nouveaux éléments génétiques peuvent être insérés. Au fur et à mesure que l’ADN répare ces cassures, de nouveaux éléments génétiques sont copiés d’un chromosome à l’autre, ce qui donne une progéniture qui dépasse l’héritage standard de 50 à 50 %, favorisant à la place les éléments génétiques nouvellement insérés.
Les lecteurs de gènes se déclinent en deux « saveurs ». Les forçages génétiques complets (fGD) contiennent Cas9 et des composants d’ARN guide dans un ensemble d’unités liées. En revanche, les lecteurs fractionnés (sGD) sont constitués de deux éléments génétiques qui portent Cas9 et guident les composants d’ARN séparément et s’insèrent dans différents sites du génome. Les sGD sont considérés comme plus sûrs que les fGD car il est possible de contrôler et de tester les composants portés par chacun des éléments séparément ou dans des conditions où ils amplifient progressivement la fréquence du composant gRNA. Les chercheurs ont conçu les deux éléments pour finalement se reconnecter et produire les effets d’un forçage génétique complet.
Dans le cas de l’éradication du paludisme, les forçages génétiques entiers ont suscité un grand enthousiasme en raison de leur potentiel en tant que véhicules de transfert d’éléments qui arrêtent la transmission des parasites du paludisme qui causent l’infection. Mais les fGD ont également suscité des inquiétudes en raison de leur potentiel de propagation rapide et de la possibilité de modifier la constitution génétique de populations entières de moustiques. L’expérimentation de fGD nécessite des barrières et des contraintes de haute sécurité pour empêcher la fuite par inadvertance d’insectes transportant de tels disques dans l’environnement ouvert.
Ce n’est pas le cas avec les lecteurs de gènes divisés. Parce que les composants clés sont séparés, les sGD comportent beaucoup moins de risques de propagation involontaire et les chercheurs ont beaucoup plus de contrôle sur leur manipulation en toute sécurité. Les expériences avec sGD peuvent être réalisées dans des installations de laboratoire traditionnelles, ce qui permet beaucoup plus de flexibilité pour tester son potentiel.
Cependant, les scientifiques ont été mis au défi de développer des systèmes qui convertissent efficacement les sGD en fGD entièrement fonctionnels. L’un des défis auxquels est confrontée la conversion actuelle des systèmes sGD en fGD est qu’ils sont basés sur deux composants génétiques distincts, chacun devant présenter des propriétés motrices efficaces.
Maintenant, les scientifiques de l’UC San Diego qui ont récemment été les pionniers du développement des forçages génétiques et des technologies connexes ont créé un système flexible de « piratage » des gènes pour convertir le sGD en fGD. Travaillant sur les mouches des fruits, les chercheurs ont développé une nouvelle stratégie génétique qui utilise un ARN guide spécialement conçu qui porte la partie Cas9 de sGD. Cet outil de piratage découpe le composant de copie du sGD et déclenche un échange de gènes, ou « événement de recombinaison », qui insère Cas9 dans l’élément portant l’ARN guide, entraînant la création d’un fGD entièrement fonctionnel.
« Tout d’abord, et surtout, l’étude fournit une preuve de principe pour la conversion génétique agile d’un sGD en un fGD, ce qui devrait grandement aider à tester et à développer de nouveaux systèmes de forçage génétique optimisés », a déclaré le Dr premier auteur de l’article. terrasses. , qui est maintenant basé à la Penn State University.
Une fois que les chercheurs ont développé leur nouveau système de piratage sGD-fGD, des résultats surprenants ont commencé à apparaître. Le fGD fraîchement piraté s’est propagé à travers les populations de mouches dans des expériences en cage, comme prévu. Cependant, la vitesse à laquelle il s’est propagé était étonnamment plus lente que les schémas prédits pour un fGD traditionnel.
Les collaborateurs de recherche Bennett et Marshall ont développé un modèle mathématique qui a fourni une explication. Leur modélisation a révélé qu’en piratant la conversion, les fGD imposent un coût de remise en forme plus élevé aux mouches individuelles que les sGD seuls. Ce coût de fitness, qui survient lorsque l’élément moteur se copie, disparaît après avoir agi sur tous les chromosomes cibles potentiels de la population.
« L’étude révèle des complexités imprévues dans la façon dont les composants du forçage génétique fonctionnent ensemble, révélant qu’on ne peut pas simplement supposer comment des composants séparés pourraient interagir lorsqu’ils se rejoignent », a déclaré Bennett.
Nature Communication liste complète des auteurs des articles : Gerard Terradas, Jared Bennett, Zhiqian Li, John Marshall et Ethan Bier.