Prime Editing : un nouvel outil d'édition génétique encore en phase de développement, mais déjà très prometteur

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Anzalone AV, Randolph PB, Davis JR, Sousa AA, Koblan LW, Levy JM, Chen PJ, Wilson C, Newby GA, Raguram A, LiuDR
Édition génomique par « recherche et remplacement » sans cassures double brin ni ADN donneur.
Nature. Octobre 2019.

Depuis la découverte du système CRISPR/Cas9, la communauté des chercheurs spécialisés dans l’édition génétique a consacré d’importants efforts à l’amélioration de l’efficacité et de la prévisibilité de la résolution des cassures double brin (DSB). En effet, Cas9 induit des DSB qui sont ensuite réparés par l’un des deux mécanismes cellulaires de réparation de l’ADN suivants : la jonction des extrémités non homologues (NHEJ), qui donne lieu à de petites insertions ou délétions (indels), ou la réparation dirigée par homologie (HDR), qui permet d’intégrer un ADN donneur exogène au site de coupure.⁽¹⁾ Le NHEJ étant la voie principale qui se déclenche après la formation de cassures double brin, les indels constituent un problème majeur pour l’édition génétique précise. En 2016, le Dr David Liu et ses collaborateurs ont proposé une technologie alternative pour la mutation ponctuelle précise : l’édition de bases (BE), qui consiste à convertir un seul nucléotide sans former de cassures double brin.⁽²⁾ D’autres études ont montré que cette approche, bien que très efficace pour certaines mutations, présente des limites.^{(3, 4, 5)} La semaine dernière, une nouvelle étude du laboratoire du Dr Liu a fait l’objet d’une publication anticipée dans *Nature*, proposant une nouvelle alternative aux modifications induites par des cassures double brin.⁽⁶⁾

^{Image : Principales caractéristiques de la réparation par recombinaison homologue (HDR) médiée par la DSB, de l’édition de bases et de l’édition Prime}

Dans cette étude, le Dr Anzalone et ses collègues décrivent comment ils ont mis au point un tout nouvel outil d’édition génétique basé sur Cas9, appelé « prime editing », qui permet d’effectuer des modifications efficaces et précises telles que des transitions, des transversions, des insertions, des délétions et des combinaisons de ces changements. Ce système nécessite un « prime editor » (PE), composé d’une nickase Cas9 fusionnée à une transcriptase inverse (RT) optimisée, ainsi que de deux molécules d’ARN. La première, appelée ARN guide de prime editing (pegRNA), sert de charpente structurelle à la Cas9 nickase et dirige l’enzyme vers une position spécifique de l’ADN, à l’instar de tout ARN guide unique (sgRNA) ; cependant, contrairement à ce dernier, elle agit également comme donneur et matrice pour la RT. La deuxième molécule d’ARN est un sgRNA, qui peut être utilisé pour former une deuxième coupure sur le brin d’ADN opposé afin d’augmenter l’efficacité de l’édition « prime-editing ». Voici un résumé de la séquence d’événements menant aux modifications par édition « prime-editing » :

1. Le complexe PE:pegARN forme une entaille dans un brin simple à un emplacement précis de l'ADN
2. La RT polymérise le nouvel ADN modifié en utilisant le pegRNA comme matrice.
3. L'ARNsg est ensuite utilisé pour créer une entaille sur le brin d'ADN non modifié, favorisant ainsi sa réparation et l'insertion de la modification souhaitée sur les deux brins d'ADN

  By getting rid of DSBs and donor DNA entirely, the authors appear to bypass, or at least strongly limit, the very unfortunate problem of indel-creation predominance (caused by NHEJ) over precise mutation insertion (typical of HDR). Prime editing, however, can only be used for rather small modifications (< 100 base pairs), and does not represent, therefore, an alternative tool for larger insertions or deletions.

  Ce tout nouveau système constitue le dernier ajout, très prometteur, à la boîte à outils dérivée de Cas9. En effet, l'une des principales limites de l'édition génétique précise par BE ou par HDR médiée par DSB réside dans la nécessité de disposer d'un motif adjacent au protospacer (PAM) à proximité immédiate du site d'insertion souhaité de la mutation. L’édition « prime » permet d’insérer la modification souhaitée jusqu’à 30 nucléotides de la séquence PAM, ce qui représente donc une amélioration considérable par rapport aux technologies existantes. De plus, bien que les RT soient connues pour être sujettes à des erreurs (demandez à n’importe quel virologue), le « prime editing » s’avère plus efficace que les autres technologies pour l’édition génétique précise. On ignore toutefois encore si le « prime editing » peut être efficace et fiable pour les modifications homozygotes (c’est-à-dire ciblant tous les allèles à la fois), ce qui constituerait un autre avantage significatif par rapport à l’HDR induite par des cassures double brin (DSB).

  Comme le soulignent les auteurs, des études supplémentaires sont encore nécessaires pour déterminer de manière exhaustive les effets hors cible potentiels à l'échelle du génome et les dérèglements physiologiques causés par l'édition « prime » ; néanmoins, ce système pourrait devenir la technologie de référence pour corriger les mutations pathogènes. Bien qu'il n'ait pas encore atteint sa pleine maturité, ce système constitue un nouvel outil prometteur pour l'édition génétique de précision.

Références :

1. Mali, Prashant, et al. « Modification du génome humain guidée par l'ARN via Cas9 ». Science. 15 février 2013
2. Komor, Alexis C., et al. « Modification programmable d’une base cible dans l’ADN génomique sans clivage de l’ADN double brin ». Nature. 19 mai 2016
3. Kim, Y. Bill, et al. « Élargissement de la portée et amélioration de la précision du ciblage génomique par l'édition de bases grâce à des fusions Cas9-cytidine désaminase modifiées. » Nat Biotechnol. avril 2017
4. Zuo, Erwei, et al. « Un éditeur de bases de cytosine génère un nombre important de variants nucléotidiques hors cible dans des embryons de souris. » Science. 19 avril 2019
5. Grünewald, Julian, et al. « Édition d’ARN hors cible à l’échelle du transcriptome induite par des éditeurs de bases d’ADN guidés par CRISPR. » Nature. Mai 2019
6. Anzalone, Andrew V., et al. « Édition génomique par recherche et remplacement sans cassures double brin ni ADN donneur ». Nature. 21 octobre 2019
7. Kosicki, Michael, et al. « La réparation des cassures double brin induites par CRISPR-Cas9 entraîne des délétions importantes et des réarrangements complexes. » Nat Biotechnol. Septembre 2018
8. Rezza, Amélie, et al. « Réarrangements génomiques inattendus au niveau des loci ciblés associés à l'introduction de gènes par CRISPR/Cas9 ». Sci Rep. 5 mars 2019