Une machine à écrire moléculaire répare le gène de la mucoviscidose

Euphorie dans un petit pic

Septembre 2020 – Alors que le pays plonge dans la deuxième vague de la pandémie de coronavirus, je pédale à toute allure vers Gasthuisberg. Pas une seconde à perdre, car aujourd’hui, une expérience très excitante doit être analysée. Dans le calme matinal, les lumières du laboratoire s’allument tandis que j’enfile une longue blouse, des lunettes de laboratoire et des gants bleus. Seul dans une petite pièce sombre, je glisse deux échantillons sous le microscope. De magnifiques cellules apparaissent sous l’objectif. D’après une simple comparaison visuelle, les échantillons semblent identiques. Les cellules paraissent paisibles et heureuses. Il est temps de perturber leur tranquillité pour une analyse plus approfondie. Toute la journée, je travaille à purifier l’ADN de ces cellules. En soirée, je me rue avec un petit sac vers la boîte postale d’autre laboratoire de la KU Leuven. Quelques minutes plus tard, les échantillons y sont collectés et envoyés à Berlin.

Le verdict arrive deux jours plus tard sous la forme d’un fichier rempli de petits pics. Nerveux et impatient, je scrute les centaines de pics jusqu’à ce que soudain… EURÊKA ! À une position spécifique, j’observe un tout petit deuxième pic. Nous l’appellerons ‘baby-pic’. Cela fait plus d’un an que je cherche cela. Dans un élan d’euphorie, j’écris à mes collègues : « What may appear a little hump might become something great. » Ce petit pic marque le début de quatre années de recherche au laboratoire de virologie moléculaire et de thérapie génique dirigé par les professeurs Zeger Debyser et Marianne Carlon.

Mais que contenait ce pic ? Eh bien, ces pics représentaient les résultats des données de séquençage, c’est-à-dire du code ADN lu. Ce que j’ai observé en 2020 était une première correction précise du gène CFTR. Cela allait devenir le cœur de ma recherche et ouvrir la porte à des résultats encore plus significatifs.

La mucoviscidose

Le groupe de la professeure Carlon à la KU Leuven recherche depuis plus de dix ans des solutions pour la mucoviscidose, ou fibrose kystique. C’est la maladie héréditaire potentiellement mortelle la plus fréquente en Europe. Elle est causée par des erreurs dans le gène CFTR, un segment d’ADN qui contient les instructions pour un canal ionique essentiel. Chez les personnes ayant des mutations dans le gène CFTR, ces canaux sont soit absents, soit défectueux. En conséquence, une maladie pulmonaire incurable se développe. Ces canaux jouent un rôle clé en maintenant une couche de mucus humide dans plusieurs organes. Sans cela, des bouchons de mucus épais s’accumulent, rendant la respiration difficile et causant des infections chroniques. La mucoviscidose est une maladie complexe nécessitant une expertise médicale multidisciplinaire. Pourtant, la cause moléculaire de tous ces symptômes est remarquablement simple : une ou quelques lettres erronées dans l’ADN. Des millions d’euros et de dollars ont été investis dans la recherche de solutions mais, jusqu’à présent, personne n’avait réussi à corriger ces erreurs génétiques.

Couper et coller l’ADN : facile ?

Cette tâche semble pourtant simple. Dans un document Word, il suffit de quelques secondes pour corriger une erreur. Control + F pour trouver le mot incorrect et taper la correction. Hélas, les organismes vivants ne sont pas des documents Word. La “code” de notre ADN n’est pas réellement composée de lettres. C’est une chaîne complexe de molécules biochimiques interconnectées, représentées par A, C, T et G, mais difficiles à lire ou à modifier. Transformer un A en G, par exemple, nécessite de modifier un groupe latéral complexe de la molécule. Pour insérer une “lettre”, il faut ouvrir la chaîne, insérer la molécule et refermer précisément la chaîne. Trouver une erreur est également compliqué : le génome humain contient plus de 6 milliards de lettres réparties sur 46 chromosomes. Cette mission équivaut à changer un seul grain dans une immense plage de sable, sans perturber les autres grains.

Le “prime editing” guérit la mucoviscidose en laboratoire

En 2020, nous avons expérimenté pour la première fois le “prime editing” dans notre laboratoire à Louvain. Cette technique, alors toute nouvelle, permet des modifications ciblées de l’ADN. Nous avons utilisé des protéines naturellement évoluées pour se lier et modifier l’ADN. Nous avons programmé ces protéines pour corriger la mutation responsable de la mucoviscidose. Le prime editing est une évolution de la technique révolutionnaire CRISPR-Cas, mais encore plus puissante. Ce qui rend cette technologie particulièrement intéressante, c’est sa précision. Ces protéines identifient spécifiquement l’endroit de l’ADN à modifier, puis remplacent ou ajoutent des molécules chimiques, comme une machine à écrire moléculaire.

En 2021, après optimisation, nous avons réussi à guérir des cellules de patients atteints de mucoviscidose en laboratoire.

Mini-organes vivants – organoïdes humains

Une méthode populaire dans le domaine de la mucoviscidose pour tester de nouvelles thérapies est l’utilisation des organoïdes. Ces structures sphériques, surnommées “mini-intestins”, sont cultivées en laboratoire à partir de cellules prélevées chez des patients atteints de mucoviscidose. Les organoïdes provenant de personnes non atteintes gonflent spontanément, comme de petits ballons biologiques. En revanche, les organoïdes des patients atteints de mucoviscidose ne présentent pas cette réaction. Cette différence est directement liée au canal ionique. Le pompage des ions dans la structure sphérique attire l’eau par osmose, ce qui provoque le gonflement des organoïdes. Les organoïdes des patients atteints, dépourvus de ce canal ionique fonctionnel, ne gonflent pas. C’est une situation binaire : gonfler ou ne pas gonfler, canal fonctionnel ou non, mucoviscidose ou absence de mucoviscidose.

Après nos premiers essais de traitement en 2021, nous avons observé quelques organoïdes gonflants dans un échantillon de mucoviscidose. Un début modeste, mais très encourageant. Les cellules de ce patient, qui vit toujours avec la mucoviscidose, avaient été partiellement “guéries” dans notre laboratoire. L’analyse génétique a ensuite confirmé que l’ADN de ces cellules avait bien été corrigé. Aujourd’hui, le laboratoire de la professeure Carlon obtient des taux d’efficacité beaucoup plus élevés.

Quelle est la prochaine étape ?

Les résultats de notre recherche ont été publiés en mai dans le prestigieux journal Cell Reports Medicine. Notre travail démontre que la correction orthographique des chromosomes n’est plus de la science-fiction. De plus, nous avons prouvé que dans les cellules des voies respiratoires, la correction d’un très faible pourcentage de cellules (1,5 %) suffit pour obtenir une activité adéquate du canal ionique. C’est une donnée cruciale, car les poumons contiennent une surface cellulaire immense. Corriger toutes les cellules serait extrêmement difficile. Nous avons également confirmé que la modification génétique était sûre. Nos analyses détaillées n’ont révélé aucun “off-target hit”, c’est-à-dire que le prime editing n’a modifié aucune autre lettre de l’ADN humain en dehors de la cible.

Notre traitement pour la mucoviscidose est-il prêt à être testé chez l’homme ? Pas encore. Une étape importante reste à franchir : trouver un moyen efficace de transporter cette technologie. Le prime editing est une technique de pointe qui ne peut pas être administrée sous forme de pilule. Dans le laboratoire Carlon, ainsi que dans d’autres centres de recherche à travers le monde, les scientifiques cherchent des solutions pour transporter ces technologies de manière sûre et efficace. Il reste encore beaucoup à faire, mais nous sommes optimistes et déterminés à avancer.

Référence : Bulcaen et al., Cell Reports Medicine, 2024
https://www.cell.com/cell-reports-medicine/fulltext/S2666-3791(24)00234-9