Les scientifiques ont étudié en détail la structure tridimensionnelle de l'un des plus petits systèmes CRISPR-Cas13 connus, CRISPR-Cas13bt3, qui est utilisé pour la modification de l'ARN et fonctionne différemment des autres protéines de la même famille. Cette découverte leur permet d'améliorer la précision de l'outil, permettant un meilleur accès et une meilleure transmission au site d'édition cible, leur permettant potentiellement de combattre les virus plus efficacement en ciblant l'ARN.
Les scientifiques de l'Université Rice ont détaillé la structure tridimensionnelle de l'un des plus petits systèmes CRISPR-Cas13 connus pour couper ou modifier l'ARN, et ont utilisé leurs découvertes pour modifier davantage l'outil afin d'améliorer sa précision. Selon une étude publiée dans Nature Communications, la molécule fonctionne différemment des autres protéines de la même famille.
"Il existe différents types de systèmes CRISPR, et notre étude se concentre cette fois-ci sur un système appelé CRISPR-Cas13bt3", a déclaré Yang Gao, professeur adjoint de sciences biologiques et chercheur à l'Institut de prévention et de recherche sur le cancer du Texas qui a contribué à diriger l'étude. "Ce qui est unique, c'est qu'il est très petit. Généralement, des molécules comme celle-ci contiennent environ 1 200 acides aminés, et celle-ci n'en contient qu'environ 700, c'est donc déjà un avantage."
La petite taille est un avantage car elle permet un meilleur accès et une meilleure diffusion au site d'édition cible. Contrairement aux systèmes CRISPR associés à la protéine Cas9, qui ciblent généralement l'ADN, les systèmes liés à Cas13 ciblent l'ARN, qui constitue les « instructions » intermédiaires permettant de convertir l'information génétique codée dans l'ADN en un modèle d'assemblage d'une protéine.
Les chercheurs espèrent que ces systèmes de ciblage d’ARN pourront être utilisés pour combattre les virus, qui utilisent généralement l’ARN plutôt que l’ADN pour coder leurs informations génétiques.
"Mon laboratoire est un laboratoire de biologie structurale", a déclaré Gao Yang. "Nous essayons de comprendre comment fonctionne ce système. Une partie de notre objectif est donc de pouvoir le voir en trois dimensions et de créer un modèle qui nous aide à expliquer ses mécanismes."
Les chercheurs ont utilisé la cryomicroscopie électronique pour cartographier la structure du système CRISPR, en plaçant la molécule sur une fine couche de glace et en y projetant un faisceau d'électrons, générant des données qui ont ensuite été traitées dans un modèle tridimensionnel détaillé. Les résultats les ont surpris.
"Nous avons constaté que ce système déploie un mécanisme différent de celui des autres protéines de la famille Cas13, qui ont deux domaines qui se séparent initialement, et une fois le système activé, ils se réunissent - un peu comme les deux bras de ciseaux - et effectuent la coupe. Ce système est complètement différent : les ciseaux existent déjà, mais ils doivent accrocher le brin d'ARN au bon site cible. Pour ce faire, il utilise un élément de liaison sur ces deux boucles uniques pour relier différentes parties de la protéine entre elles. "
Xiangyu Deng, associé postdoctoral dans le laboratoire de Gao Yang, a déclaré : « Déterminer la structure du complexe protéine et ARN est vraiment difficile, et nous devons effectuer de nombreux dépannages pour rendre le complexe protéine et ARN plus stable afin que nous puissions cartographier sa structure. »
Une fois que l’équipe a compris comment fonctionnait le système, les chercheurs du laboratoire de l’ingénieure chimiste et biomoléculaire Shirley Gao ont commencé à peaufiner le système pour améliorer sa précision en testant son activité et sa spécificité dans des cellules vivantes.
"Nous avons constaté que ces systèmes étaient capables de cibler plus facilement pendant la culture cellulaire", a déclaré Sherry Gao, professeur adjoint Ted N. Law de génie chimique et biomoléculaire. "Ce qui est vraiment précieux dans ce travail, c'est que les informations détaillées sur la biologie structurale nous ont permis d'identifier de manière rationnelle les efforts d'ingénierie requis pour améliorer la spécificité de l'outil tout en maintenant une activité d'édition d'ARN cible élevée."
Emmanuel Osikpa, assistant de recherche au laboratoire de Xue Gao, a mené des expériences cellulaires et confirmé que Cas13bt3 peut cibler des groupes d'ARN spécifiques avec une haute fidélité.
"J'ai pu montrer que ce Cas13bt3 était plus performant que le système d'origine", a déclaré Osikpa. "Une étude approfondie de la structure a mis en évidence les avantages d'une approche ciblée et axée sur la structure par rapport aux écrans de mutagenèse aléatoire à grande échelle et coûteux."