Avancées importantes dans les outils d’édition génomique de nouvelle génération pour la maladie de Huntington

Ces derniers jours ont vu émerger une série de nouvelles concernant l’utilisation de quelque chose appelé édition génomique comme thérapie potentielle pour les maladies génétiques comme la maladie de Huntington. Ces approches, qui incluent des outils aux noms exotiques comme les nucléases à doigts de zinc et CRISPR/Cas9, diffèrent des façons plus traditionnelles de réduire l’impact de la mutation HD sur les cellules. Quoi de neuf dans ce domaine de recherche passionnant ?

Rappel sur la réduction de la huntingtine

Il y a eu beaucoup d’enthousiasme récemment autour de l’avancement d’un nouveau traitement de réduction de la huntingtine, parfois appelé extinction génique, pour la maladie de Huntington. Le premier de ces médicaments à atteindre les essais cliniques humains en HD, appelé oligonucléotides antisens (ASO), réduit la quantité de protéine huntingtine mutante nocive qui est créée par une cellule et limite finalement les dommages qu’elle peut causer.

Ceux qui ont suivi savent que le premier essai évaluant la sécurité des ASO chez les patients HD humains est actuellement en cours (http://en.hdbuzz.net/204), mais certains lecteurs pourraient aussi se rappeler que les ASO ne sont pas les seuls en lice quand il s’agit de façons innovantes de réduire la protéine huntingtine nocive.

En fait, deux autres nouvelles techniques thérapeutiques connues sous le nom de nucléases à doigts de zinc et CRISPR ont généré du buzz récemment. Bien que nous ayons couvert ces deux approches précédemment (http://en.hdbuzz.net/023), un rappel rapide de leur fonctionnement et des différences entre elles sera utile pour comprendre certaines nouvelles découvertes.

Tu te rappelles probablement de tes premiers cours de biologie que ton ADN fournit un ensemble détaillé d’instructions sur comment construire, eh bien, toi ! Chaque cellule de ton corps ressemble beaucoup à un chantier de construction, et ton ADN est le plan directeur avec les instructions pour prendre les éléments de base les plus simples (appelés acides aminés) et les transformer en protéines fonctionnelles qui contribuent à toutes tes caractéristiques uniques et s’assurent que les choses dans ton corps continuent de fonctionner correctement.

Nous appelons les instructions ADN pour construire des protéines spécifiques des gènes, et nous avons chacun deux copies du gène pour fabriquer une protéine importante qui s’appelle huntingtine. Les symptômes associés à la maladie de Huntington surviennent parce qu’un de ces ensembles d’instructions génétiques a développé une erreur d’impression qui fait que la protéine huntingtine est construite incorrectement. Chez la grande majorité des patients HD, cela conduit à deux types de protéine huntingtine – une protéine huntingtine mutante qui ne fonctionne plus correctement, et une protéine huntingtine saine qui fonctionne.

Commençons à construire…

À l’intérieur de chacune des cellules de ton corps, ton ADN est stocké et protégé profondément dans un endroit appelé le noyau, un peu comme le plan directeur d’un bâtiment qui a été enfermé par le chef de chantier dans son bureau pour l’empêcher d’être endommagé.

Sur un vrai chantier de construction, ce serait très lent et inefficace si chaque ouvrier devait se rendre au bureau du chef de chantier pour utiliser le même ensemble d’instructions lors de la construction, et il s’avère que c’est la même chose pour nos cellules.

Pour éviter ce problème, une copie de travail des instructions est faite qui est utilisée comme modèle pour construire des protéines à la place. Cette copie de travail s’appelle ARN messager, ou ARNm, et elle est copiée de l’ADN original et envoyée dans la cellule où elle est utilisée pour construire de nombreuses copies de la ou des mêmes protéines à plus grande échelle.

Si notre ADN est comme le plan directeur original, alors l’ARNm ressemble beaucoup aux copies individuelles du plan qui sont livrées par le chef de chantier à son équipe pour qu’elle puisse commencer à construire efficacement. Cela peut sembler confus, mais pour notre propos, tout ce que tu as besoin de savoir, ce sont les trois étapes impliquées dans la construction d’une protéine : ADN -> ARNm -> protéine.

ASO, doigts de zinc et CRISPR : même objectif, moyens différents

Il est important de faire la distinction entre le gène HD dans l’ADN et dans l’ARNm parce qu’ils sont ciblés différemment par les thérapies de réduction de huntingtine en développement rapide. Celles-ci incluent un zoo de différentes techniques comme les ASO, les doigts de zinc, et une nouvelle approche appelée CRISPR/Cas9. À la base, toutes ces techniques thérapeutiques ont le même objectif en tête – réduire la quantité de protéine huntingtine mutante nocive produite dans une cellule – mais elles s’y prennent de façons très différentes pour atteindre cet objectif.

Des trois options, les ASO existent depuis le plus longtemps, ce qui ne te surprendra peut-être pas puisqu’ils ont émergé comme les premiers à être évalués chez les patients HD humains. Les ASO fonctionnent en disant aux cellules de tirer sur le messager, dans ce cas l’intermédiaire ARNm portant les instructions de l’ADN pour fabriquer une protéine. Dans une cellule traitée, les médicaments ASO se collent littéralement à l’ARNm qui fournit les instructions pour fabriquer la protéine huntingtine mutante nocive, et convainquent la cellule de le découper pour que la protéine ne puisse plus être produite.

Beaucoup de scientifiques et ceux de la communauté HD sont très enthousiastes à propos de l’avancement de la thérapie ASO comme option de traitement pour HD, mais le fait demeure que la thérapie ASO ne cible pas la cause ultime de HD (le gène HD défectueux encodé dans l’ADN d’une personne) et reste à un pas en ciblant l’ARNm. Parce que le gène mutant est toujours présent dans l’ADN, l’ARNm mutant et la protéine continueraient d’être produits dans les cellules traitées par ASO. Cela signifie, selon notre compréhension actuelle, que le traitement avec les ASO devrait être continué toute la vie.

Contrairement à la réduction de huntingtine utilisant les ASO, les techniques plus récentes incluant les nucléases à doigts de zinc et CRISPR/Cas9 sont toutes deux une forme de techniques d’édition génomique. Ces nouveaux outils incroyables permettent aux scientifiques de cibler la source ultime du problème en HD, l’ADN mutant lui-même. Ces outils permettent aux scientifiques de cibler précisément un endroit spécifique dans l’ADN (comme les instructions pour fabriquer la protéine huntingtine), et ensuite d’effectuer un certain nombre d’astuces utiles.

Une de ces astuces qu’ils peuvent faire est de servir comme une sorte de panneau d’arrêt pour la cellule. Quand la machinerie qui lit normalement l’ADN arrive au gène HD mutant, les outils d’édition génomique appropriément conçus peuvent les rappeler – leur disant de ne pas faire leur travail à ce gène précis. Cela résulte en aucun ARNm ou protéine huntingtine mutante jamais fabriqués. Note que c’est différent de la façon dont les ASO fonctionnent, qui est en dégradant l’ARNm qui a déjà été fabriqué.

Un nouvel outil important d’édition génomique appelé CRISPR/Cas9 a récemment rendu beaucoup de gens très enthousiastes. Ces outils, empruntés à certaines espèces bactériennes qui les utilisent comme une sorte de système immunitaire, permettent aux cellules d’insérer des séquences d’ADN étrangères dans leur propre ADN. Des humains vraiment intelligents ont pris ces outils des bactéries et les ont re-conçus pour permettre aux scientifiques de faire des coupes précises dans l’ADN à des séquences spécifiques.

En théorie, et en laboratoire, les techniques CRISPR peuvent être utilisées pour couper des séquences d’ADN spécifiques pour que la cellule ne puisse plus lire un gène. Elles peuvent aussi être utilisées pour diriger les cellules à faire des changements spécifiques aux séquences d’ADN – même, en théorie, réparer des mutations comme celles qui causent HD. Cibler la cause de HD à sa racine (le gène HD) assurerait que l’ARNm huntingtine mutant et la protéine huntingtine mutante ne soient plus fabriqués, et ne puissent plus causer de dommages.

La sécurité d’abord !

Si tu te demandes pourquoi nous ne testons pas déjà ces nouveaux outils comme médicaments, c’est parce que beaucoup de choses doivent se passer dans le pipeline de développement de médicaments pour s’assurer que le produit final est à la fois sûr et efficace avant qu’il puisse être testé chez les patients HD.

D’abord, les scientifiques doivent trouver des façons d’amener ces médicaments au cerveau où la protéine huntingtine mutante fait la plupart de ses dommages. C’est difficile – nos cerveaux sont particulièrement bons pour empêcher les choses d’entrer qui pourraient être nocives, et malheureusement il n’est pas sur le point de donner un laissez-passer gratuit à ces médicaments. Si nous essayions de les mettre dans une pilule ou de les injecter dans notre sang, nos corps les décomposeraient et les rendraient inutiles bien avant qu’ils atteignent le cerveau.

Puisque les ASO existent depuis un peu plus longtemps, les scientifiques ont eu un peu plus de temps pour aborder ce problème, bien que leur solution soit encore loin d’être parfaite. Les ASO utilisés dans l’essai HD humain doivent être injectés dans le fluide qui baigne le cerveau et la moelle épinière, le liquide céphalorachidien. Nous avons toutes les raisons de croire que cela fonctionnera, mais c’est évidemment plus compliqué que d’avaler simplement une pilule.

Les outils d’édition génomique comme CRISPR et les doigts de zinc sont encore plus compliqués à livrer que leurs homologues ASO. C’est parce qu’ils sont en fait des protéines eux-mêmes, et celles-ci sont difficiles à livrer intactes dans les cellules.

Pour contourner ce problème, les chercheurs utilisent des virus inoffensifs pour faire de l’auto-stop avec les instructions ADN pour fabriquer ces protéines dans les cellules cérébrales. De là, les cellules sont trompées pour utiliser la même machinerie qu’elles utilisent pour construire leurs propres protéines pour construire des outils d’édition génomique, transformant essentiellement les cellules en usines pour leurs propres médicaments !

Quoi de neuf avec les doigts de zinc pour HD ?

N’étant pas du genre à fuir un bon défi, beaucoup d’équipes de recherche ont travaillé dur pour aborder les problèmes mentionnés précédemment pour faire des progrès vers l’application de ces nouvelles techniques à HD. Précédemment, HDBuzz a rapporté qu’un groupe de chercheurs d’Espagne avait testé un nouveau médicament à doigts de zinc qui a montré quelques effets bénéfiques dans un modèle murin de HD dans une étude à court terme (http://en.hdbuzz.net/103).

Récemment, la même équipe de recherche – dirigée par Mark Isalan, qui réside maintenant à l’Imperial College à Londres, R.-U. – a conçu et testé une version mise à jour de leur médicament pour voir s’ils pouvaient améliorer ses effets pour une période plus longue et réduire la réponse immunitaire nocive dans le cerveau associée à la livraison du médicament en utilisant les AAV.

Après quelques bricolages biochimiques intenses, Isalan et ses collègues ont pu démontrer que leur nouveau candidat doigt de zinc amélioré était plus efficace que leur version précédente pour réduire la protéine huntingtine mutante nocive, était plus durable, était plus sélectif en ciblant seulement le gène HD, et affichait un profil de sécurité beaucoup meilleur que leur version précédente.

Ce sont des découvertes très excitantes, en effet, et toutes des étapes positives vers l’avant pour faire de la thérapie à doigts de zinc une option viable pour traiter HD humain ! Ce travail lent et patient avec les doigts de zinc est similaire à ce qui s’est passé avec les médicaments ASO, qui ont eu plusieurs années d’avance sur les outils d’édition génomique.

Qu’en est-il de CRISPR ?

Malgré être considérée comme la façon la plus précise de conduire l’édition génomique, la technologie CRISPR est encore la nouvelle venue et les scientifiques ont eu beaucoup moins de temps pour résoudre les problèmes comparé aux autres techniques.

Dans un avancement excitant dans l’utilisation de CRISPR comme option thérapeutique en HD, une équipe de chercheurs dirigée par Jong-Min Lee au Massachusetts General Hospital a récemment développé une construction CRISPR qui peut sélectivement éditer la copie mutante, mais pas de type sauvage, du gène HD dans des cellules en boîte. Profitant de la capacité de ciblage hautement spécifique de CRISPR, ils ont pu instruire les cellules traitées de découper le gène HD mutant, tout en laissant la copie saine intacte.

Bien sûr, c’est une chose de montrer qu’un médicament est efficace sur des cellules en boîte, et une autre chose entièrement de montrer qu’il peut être efficace quand testé dans un organisme vivant. C’est particulièrement vrai avec des techniques comme CRISPR – selon ce que nous savons aujourd’hui, nous avons besoin d’un virus pour porter les instructions à chacune de nos 100 milliards de cellules cérébrales pour sauver chacune d’elles des effets du gène HD mutant.

Un autre risque est que CRISPR et d’autres outils d’édition génomique modifient l’ADN de façon permanente. C’est différent des médicaments comme les ASO qui sont finalement éliminés du cerveau, ce qui signifie que leurs effets s’estompent avec le temps s’ils ne sont pas livrés à nouveau.

Au début, cette idée semble fantastique ! Si nous pouvions guérir HD avec seulement un seul traitement, nous aimerions certainement pouvoir le faire. Cependant, nous ne sommes toujours pas sûrs des effets à long terme associés à la suppression permanente du gène HD et à la réduction de la quantité de protéine huntingtine qui est créée, peu importe si elle est mutante ou non. La possibilité existe que supprimer de façon permanente le gène HD pourrait conduire à quelques problèmes de santé sérieux d’une variété différente qui apparaîtraient plus tard, et nous devrons passer un temps considérable à étudier ses effets avant de savoir si ce sera sûr.

Que vient-il ensuite ?

Il y a encore beaucoup de travail à faire avant que les techniques d’édition génomique comme les doigts de zinc et les traitements CRISPR deviennent des options viables pour la maladie de Huntington, mais la recherche présentée ici montre que nous avons pris quelques étapes importantes vers l’accomplissement de cet exploit.

Bien que le travail récent montre que la thérapie à doigts de zinc est efficace dans un modèle murin de HD – dont les cerveaux sont plus petits qu’une pièce de dix cents – il sera beaucoup plus difficile de montrer qu’elle peut être efficace chez les humains, dont les cerveaux sont beaucoup plus grands, plus complexes, et présentent beaucoup d’autres défis à surmonter. La thérapie CRISPR prendra probablement encore plus de temps, puisque nous arrivons seulement maintenant au point où nous pouvons faire des plans pour tester son efficacité dans des modèles murins de HD.

Cependant, ce n’est pas une raison de se décourager, et en fait nous pensons que tout à fait le contraire est vrai ! La partie la plus excitante de la recherche actuelle est qu’elle montre que nous avons plusieurs flèches dans notre carquois alors que nous essayons de développer un traitement de réduction de huntingtine pour HD. Même s’il s’avère qu’une option ne fonctionne pas comme nous l’espérions, nous faisons des progrès constants en développant de nouvelles thérapies qui peuvent aussi fournir des traitements efficaces pour HD.

Cette idée est une que beaucoup commencent à saisir rapidement – récemment deux compagnies pharmaceutiques, Sangamo Biosciences et Shire Pharmaceuticals, ont joint leurs forces pour accélérer leurs efforts dans le développement du traitement à doigts de zinc comme option thérapeutique pour la maladie de Huntington. Bien qu’il faudra un moment pour résoudre les problèmes, nous imaginons que ce ne sera qu’une question de temps avant que la même chose devienne vraie pour CRISPR. Personnellement, nous pensons que les progrès qui ont été faits jusqu’à présent nous donnent beaucoup de raisons d’être enthousiastes !

En savoir plus

• Étude originale de Lee et ses collègues décrivant l’extinction spécifique du gène HD mutant en utilisant CRISPR dans des cellules de patients HD. (l’article complet nécessite un paiement ou un abonnement)
• Étude originale d’Isalan et ses collègues décrivant leur travail d’amélioration des traitements viraux à doigts de zinc dans des modèles murins de HD (accès libre)
• Une belle animation décrivant comment CRISPR permet aux scientifiques d’éditer l’ADN