Des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé une méthode qui leur permet de modifier génétiquement chaque cellule de manière différente chez les animaux. Ils peuvent ainsi étudier en une seule expérience ce qui nécessitait auparavant de nombreuses expériences sur les animaux. Les chercheurs ont ainsi découvert des gènes pertinents pour une maladie héréditaire grave et rare.
En bref
- Les chercheurs ont combiné, chez des animaux vivants, la modification de nombreux gènes à l'aide des ciseaux génétiques Crispr/Cas et l'analyse ultérieure de cellules individuelles.
- Ils peuvent ainsi désactiver des gènes différents dans chacune des cellules d'un organe, c'est-à-dire créer une mosaïque de cellules génétiquement différentes, et en étudier les effets.
- Cette méthode simplifie et accélère la recherche expérimentale sur les animaux et est particulièrement adaptée à l'étude de maladies dont les causes génétiques sont complexes.
Pour découvrir les causes génétiques des maladies, une méthode éprouvée consiste à désactiver un seul gène chez les animaux et à étudier les conséquences de cette désactivation sur l'organisme. Toutefois, dans de nombreuses maladies, plusieurs gènes contribuent au tableau clinique. Pour les scientifiques, il est alors très difficile de déterminer quel gène est impliqué dans la maladie et dans quelle mesure. Ils devraient pour cela réaliser de nombreuses expériences sur des animaux - une pour chaque modification génétique souhaitée.
Des chercheurs dirigés par Randall Platt, professeur d'ingénierie biologique au Département des systèmes biologiques de l'ETH Zurich à Bâle, ont désormais mis au point une méthode qui va grandement simplifier et accélérer la recherche avec des animaux de laboratoire : A l'aide des ciseaux génétiques Crispr/Cas, ils procèdent simultanément à plusieurs dizaines de modifications génétiques dans les cellules du corps d'un seul animal, sous forme de mosaïque : Dans chaque cellule, un gène au maximum est modifié, mais les différentes cellules d'un même organe sont modifiées de manière différente. Les cellules individuelles peuvent ensuite être analysées avec précision. Les chercheurs peuvent ainsi étudier les conséquences de nombreuses modifications génétiques différentes en une seule expérience.
Pour la première fois chez des animaux adultes
Les chercheurs de l'ETH ont appliqué cette approche pour la première fois avec succès chez des animaux vivants - concrètement, chez des souris adultes - comme ils le rapportent dans l'édition actuelle de la revue spécialisée "Nature". Auparavant, d'autres scientifiques avaient développé une approche similaire pour des cellules en culture et des embryons d'animaux.
Pour introduire dans les cellules du corps des souris les informations sur les gènes que les ciseaux génétiques Crispr/Cas doivent détruire, les chercheurs ont utilisé le virus adéno-associé (virus AA). Ils ont préparé les virus de manière à ce que chaque particule virale porte l'information nécessaire à la destruction d'un gène, puis ont infecté les souris avec un mélange de virus ayant des instructions différentes pour la destruction des gènes. De cette manière, ils ont pu désactiver différents gènes dans les cellules d'un organe - dans l'étude, ils ont choisi le cerveau.
Découverte de nouveaux gènes à l'origine de maladies
Grâce à cette méthode, les chercheurs de l'ETH Zurich, en collaboration avec des collègues de l'Université de Zurich, ont obtenu de nouveaux indices sur des maladies héréditaires rares chez l'homme, appelées syndrome de microdélétion 22q11. Les personnes concernées présentent de nombreux symptômes différents et sont souvent diagnostiquées avec des maladies telles que la schizophrénie et les troubles du spectre autistique. Jusqu'à présent, on savait qu'une région chromosomique, dans laquelle se trouvent 106 gènes, était responsable de cette maladie. De même, on savait que plusieurs gènes contribuaient à cette maladie. On ne savait toutefois pas lesquels de ces gènes contribuaient à la maladie et dans quelle mesure.
Pour leur étude chez la souris, les chercheurs se sont concentrés sur 29 gènes de cette région chromosomique, qui sont également actifs dans le cerveau de la souris. Ils ont modifié l'un de ces 29 gènes dans les cellules cérébrales de souris et ont ensuite analysé les profils d'ARN des cellules cérébrales. Les scientifiques ont ainsi pu montrer que trois de ces gènes étaient principalement responsables d'un dysfonctionnement des cellules cérébrales, également observé chez les souris. En outre, les scientifiques ont observé dans les cellules de souris des modèles moléculaires qui rappellent la schizophrénie et les troubles du spectre autistique. L'un de ces trois gènes était déjà connu, mais les deux autres n'avaient pas encore attiré l'attention des scientifiques.
"Si nous savons quels gènes présentent une activité anormale dans une maladie, nous pouvons essayer de développer des médicaments qui compensent cette anomalie", explique António Santinha, doctorant dans le groupe de Platt et premier auteur de l'étude.
Inscription pour le brevet
La méthode conviendrait également à l'étude d'autres maladies héréditaires. "Dans de nombreuses conditions héréditaires, plusieurs gènes jouent un rôle, et pas seulement un", explique Santinha. "C'est également le cas pour les maladies psychiques comme la schizophrénie par exemple. Grâce à notre technique, nous pouvons désormais étudier de telles 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 faire ces analyses dans des êtres vivants, car les cellules se comportent différemment en culture que dans un organisme vivant", explique Santinha. Un autre avantage est que les scientifiques peuvent facilement injecter les virus AA dans le sang des animaux. Il existe différents virus AA avec des propriétés fonctionnelles différentes. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé un virus qui atteint le cerveau des animaux. "Mais selon l'objectif de l'étude, on pourrait aussi utiliser des virus AA qui ciblent d'autres organes", explique le doctorant de l'ETH.
L'ETH Zurich a déposé une demande de brevet pour cette technologie. Les chercheurs souhaitent désormais l'utiliser dans le cadre d'un spin-off qu'ils vont encore créer.
"Perturber" le génome
La technique présentée ici fait partie d'une série de nouvelles méthodes de génie génétique qui permettent de modifier le génome des cellules à la manière d'une mosaïque. En anglais, l'approche de recherche s'appelle Crispr Perturbation, c'est-à-dire "perturbation" du génome au moyen des ciseaux génétiques Crispr/Cas. Cette approche révolutionne actuellement la recherche dans les sciences de la vie. Elle permet d'obtenir un très grand nombre d'informations à partir d'une seule expérience scientifique. Cette approche a ainsi le potentiel d'accélérer la recherche biomédicale, par exemple pour déterminer les causes génétiques de maladies complexes.
Il y a une semaine déjà, un autre groupe de recherche du Département des systèmes biologiques de l'ETH Zurich à Bâle a publié, en collaboration avec des collègues de Vienne, un travail dans lequel ils ont appliqué la perturbation Crispr aux organoïdes (voir Actualités ETH). Les organoïdes sont des boules de tissu cultivées à partir de cellules souches, dont la structure est similaire à celle de véritables organes, c'est-à-dire des sortes d'organes miniatures. Ils constituent une méthode de recherche sans expérimentation animale qui complète la recherche sur les animaux. Comme les deux méthodes - la perturbation Crispr chez les animaux et celle chez les organoïdes - permettent d'obtenir plus d'informations en moins d'expériences, les deux méthodes ont le potentiel de réduire en fin de compte le nombre d'expériences sur les animaux.
Référence bibliographique
Santinha AJ, Klingler E, Kuhn M, Farouni R, Lagler S, Kalamakis G, Lischetti U, Jabaudon D, Platt RJ : Transcriptional linkage analysis with in vivo AAV-Perturb-seq, Nature, 20 septembre 2023, doi : page externe10.1038/s41586-023-06570-y