Modification génétique de cellules individuelles chez les animaux

Une méthode éprouvée pour identifier les causes génétiques des maladies consiste à supprimer un seul gène chez l'animal et à étudier les conséquences de cette suppression sur l'organisme. Le problème est que pour de nombreuses maladies, la pathologie est déterminée par plusieurs gènes. Il est donc extrêmement difficile pour les scientifiques de déterminer dans quelle mesure l'un des gènes est impliqué dans la maladie. Pour ce faire, ils doivent réaliser de nombreuses expériences sur les animaux – une pour chaque modification génétique souhaitée.

Un groupe de recherche dirigé par Randall Platt, professeur de génie biologique au département de science et d'ingénierie des biosystèmes de l'ETH Zurich à Bâle, ont mis au point une méthode qui simplifiera et accélérera considérablement la recherche sur les animaux de laboratoire : à l'aide des ciseaux génétiques CRISPR-Cas, ils modifient simultanément plusieurs dizaines de gènes dans les cellules d'un seul animal, à la manière d'une mosaïque. Si chaque cellule ne modifie pas plus d'un gène, les différentes cellules d'un organe sont modifiées de manière différente. Les cellules individuelles peuvent alors être analysées avec précision. Cela permet aux scientifiques d'étudier les ramifications de nombreux changements génétiques différents en une seule expérience.

Première fois chez les animaux adultes

Pour la première fois, les scientifiques de l'ETH Zurich ont appliqué avec succès cette approche à des animaux vivants, plus précisément à des souris adultes, comme ils le rapportent dans le numéro actuel de la revue Nature. D'autres scientifiques avaient auparavant développé une approche similaire pour des cellules en culture ou des embryons animaux.

Pour «informer» les cellules de souris des gènes que les ciseaux CRISPR-Cas doivent détruire, les scientifiques ont utilisé le virus adéno-associé (AAV), une stratégie de diffusion qui peut cibler n'importe quel organe. Ils ont préparé les virus de manière à ce que chaque particule virale porte l'information nécessaire à la destruction d'un gène particulier, puis ils ont infecté les souris avec un mélange de virus portant différentes instructions pour la destruction des gènes. De cette manière, ils ont pu désactiver différents gènes dans les cellules d'un organe. Pour cette étude, ils ont choisi le cerveau.

Découverte de nouveaux gènes pathogènes

Grâce à cette méthode, le groupe de recherche de l'ETH Zurich et leurs collègues de l'Université de Genève ont obtenu de nouveaux indices sur une maladie génétique rare chez l'homme, connue sous le nom de syndrome de délétion 22q11.2. Les patientes et patients atteints de cette maladie présentent de nombreux symptômes différents, généralement diagnostiqués avec d'autres pathologies telles que la schizophrénie et les troubles du spectre autistique. Jusqu'à présent, on savait qu'une région chromosomique contenant 106 gènes était responsable de cette maladie. On savait également que la maladie était associée à plusieurs gènes, mais on ne savait pas lequel de ces gènes jouait un rôle dans la maladie.

Pour leur étude sur les souris, les scientifiques se sont concentrés sur 29 gènes de cette région chromosomique qui sont également actifs dans le cerveau de la souris. Dans chaque cellule cérébrale de souris, ils ont modifié l'un de ces 29 gènes et ont ensuite analysé les profils d'ARN de ces cellules cérébrales. Les scientifiques ont pu montrer que trois de ces gènes sont largement responsables du dysfonctionnement des cellules cérébrales. En outre, ils ont trouvé dans les cellules de souris des schémas qui rappellent la schizophrénie et les troubles du spectre autistique. Parmi ces trois gènes, l'un était déjà connu, mais les deux autres n'avaient pas encore fait l'objet d'une grande attention de la part des scientifiques.

«Si nous savons quels gènes d'une maladie ont une activité anormale, nous pouvons essayer de développer des médicaments qui compensent cette anomalie», explique António Santinha, doctorant dans le groupe du professeur Platt et auteur principal de l'étude.

Brevet en cours

La méthode pourrait également être utilisée pour étudier d'autres maladies génétiques. «Dans de nombreuses maladies congénitales, plusieurs gènes jouent un rôle, et non un seul», explique António Santinha. «C'est également le cas pour les maladies mentales telles que la schizophrénie. Notre technique nous permet désormais d'étudier ces maladies et leurs causes génétiques directement chez des animaux adultes. Le nombre de gènes modifiés pourrait passer de 29 actuellement à plusieurs centaines par expérience.»

«C'est un grand avantage de pouvoir effectuer ces analyses sur des organismes vivants, car les cellules se comportent différemment en culture et en tant qu'élément d'un corps vivant», explique le chercheur. Un autre avantage est que les scientifiques peuvent simplement injecter les AAV dans la circulation sanguine des animaux. Il existe plusieurs types d'AAV aux propriétés fonctionnelles différentes. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé un virus qui pénètre dans le cerveau des animaux. «En fonction de l'objet de l'étude, on peut également utiliser des AAV qui ciblent d'autres organes», explique le professeur Santinha.

L'ETH Zurich a déposé une demande de brevet pour cette technologie. Les scientifiques souhaitent maintenant l'utiliser dans le cadre d'une spin-off qu'ils sont en train de créer.

Perturbation du génome

La technique présentée ici fait partie d'une série de nouvelles méthodes d'édition génétique utilisées pour modifier le génome des cellules à la manière d'une mosaïque. La perturbation CRISPR est le terme technique pour cette approche de recherche qui implique la perturbation du génome à l'aide de ciseaux génétiques CRISPR-Cas. Cette approche révolutionne actuellement la recherche en sciences de la vie. Elle permet d'obtenir un grand nombre d'informations à partir d'une seule expérience scientifique. Par conséquent, l'approche a le potentiel d'accélérer la recherche biomédicale, par exemple dans la recherche des causes moléculaires de maladies génétiquement complexes.

Il y a une semaine, un autre groupe de recherche du département de science et d'ingénierie des biosystèmes de l'ETH Zurich à Bâle, en collaboration avec une équipe de Vienne, a publié une étude dans laquelle ils ont appliqué la perturbation CRISPR dans des organoïdes (voir ETH News). Les organoïdes sont des sphéroïdes de microtissus cultivés à partir de cellules souches et dont la structure est similaire à celle des organes réels - en d'autres termes, il s'agit d'une sorte d'organe miniature. Il s'agit d'une méthode de recherche sans animaux qui complète la recherche sur les animaux. Étant donné que les deux méthodes - perturbation CRISPR chez les animaux et dans les organoïdes – peuvent fournir plus d'informations avec moins d'expériences, elles ont toutes deux le potentiel de réduire à terme le nombre d'expériences sur les animaux.