Modification génétique de cellules individuelles chez les animaux

Une méthode éprouvée pour rechercher les causes génétiques des maladies consiste à éliminer un seul gène chez les animaux et à étudier les conséquences que cela a 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 ou l’autre de ces gènes est impliqué dans la maladie. Pour ce faire, ils devraient réaliser de nombreuses expériences sur les animaux, une pour chaque modification génétique souhaitée.

Des chercheurs dirigés par Randall Platt, professeur de génie biologique au Département de science et d’ingénierie des biosystèmes de l’ETH Zurich à Bâle, ont développé une méthode qui simplifiera et accélérera considérablement la recherche sur les animaux de laboratoire : à l’aide des ciseaux génétiques CRISPR-Cas, ils effectuer simultanément plusieurs dizaines de modifications génétiques dans les cellules d’un seul animal, un peu comme une mosaïque. Même si pas plus d’un gène est modifié dans chaque cellule, les différentes cellules d’un organe sont modifiées de différentes manières. Les cellules individuelles peuvent alors être analysées avec précision. Cela permet aux chercheurs d’étudier les ramifications de nombreux changements génétiques différents en une seule expérience.

Première fois chez des animaux adultes

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

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

De nouveaux gènes pathogènes découverts

Grâce à cette méthode, les chercheurs de l’ETH Zurich et des 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 patients touchés par la maladie présentent de nombreux symptômes différents, généralement diagnostiqués avec d’autres affections telles que la schizophrénie et les troubles du spectre autistique. On savait auparavant 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 lesquels de ces gènes jouaient quel rôle dans la maladie.

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

“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 de Platt et auteur principal de l’étude.

Brevet en instance

La méthode pourrait également être utilisée pour étudier d’autres troubles génétiques. “Dans de nombreuses maladies congénitales, plusieurs gènes jouent un rôle, et non un seul, explique 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 des 29 actuels à plusieurs centaines de gènes par expérience.

“C’est un grand avantage que nous puissions désormais effectuer ces analyses sur des organismes vivants, car les cellules se comportent différemment en culture que dans un corps vivant”, explique Santinha. Un autre avantage est que les scientifiques peuvent simplement injecter les AAV dans le sang des animaux. Il existe différents AAV avec différentes propriétés fonctionnelles. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé un virus qui pénètre dans le cerveau des animaux. “En fonction de ce que vous essayez d’enquêter, vous pouvez également utiliser des AAV qui ciblent d’autres organes”, explique Santinha.

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

Perturber le 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 désignant cette approche de recherche qui implique la perturbation du génome à l’aide de ciseaux génétiques CRISPR-Cas. Cette approche révolutionne actuellement la recherche dans les sciences de la vie. Il permet d’obtenir de nombreuses informations à partir d’une seule expérience scientifique. En conséquence, cette approche pourrait potentiellement 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 à des organoïdes (voir ETH News). Les organoïdes sont des sphéroïdes de microtissus cultivés à partir de cellules souches et ont une structure similaire à celle des organes réels – en d’autres termes, ils constituent 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 chez 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.