L’outil d’édition du génome de nouvelle génération pour les plantes dévoilé

L’édition du génome est l’une des avancées scientifiques les plus transformatrices de notre époque. Elle nous permet de plonger dans le code même de la vie et d’y apporter des modifications précises. Imaginez pouvoir réécrire les instructions génétiques qui déterminent presque tout ce qui concerne un organisme : son apparence, son comportement, ses interactions avec son environnement et ses caractéristiques uniques. C’est là le pouvoir de l’édition du génome.

Nous utilisons des outils d’édition du génome pour modifier les séquences génétiques des microbes, des animaux et des plantes. Notre objectif ? Développer les caractéristiques souhaitées et éliminer celles qui ne le sont pas. L’impact de cette technologie s’est fait sentir dans les domaines de la biotechnologie, de la thérapeutique humaine et de l’agriculture, apportant des avancées et des solutions rapides.

Les protéines les plus utilisées dans l’édition du génome sont Cas9 et Cas12a. Ces protéines sont comme les ciseaux du monde génétique, nous permettant de couper et d’éditer l’ADN. Cependant, elles sont assez volumineuses, constituées de 1 000 à 1 350 acides aminés. Les technologies d’édition avancées comme l’édition de base et l’édition principale nécessitent la fusion de protéines supplémentaires avec Cas9 et Cas12a, ce qui les rend encore plus volumineuses. Cette taille pose un défi pour introduire efficacement ces protéines dans les cellules, où réside le matériel génétique.

Mais nous disposons désormais d’un développement passionnant : une alternative miniature qui promet de surmonter cette limitation. Dans notre récent article dans le Journal de biotechnologie végétalenous avons présenté TnpB, un outil de nouvelle génération plus petit mais très efficace pour l’édition du génome des plantes.

Les TnpB sont de minuscules ancêtres de la nucléase Cas12

Les protéines TnpB sont des nucléases associées aux transposons guidées par l’ARN. Elles sont considérées comme les ancêtres évolutifs des nucléases Cas12. Bien que TnpB soit fonctionnellement similaire à Cas12a, elle est beaucoup plus compacte, avec un nombre total d’acides aminés compris entre 350 et 500. Pour mettre les choses en perspective, TnpB fait un tiers de la taille de Cas9 et Cas12a. Si Cas9 et Cas12a sont comme des ballons de football, les TnpB sont comme des balles de baseball.

Nous avons développé un éditeur de génome hypercompact utilisant la nucléase TnpB de Deinococcus radiodurans. Cette bactérie est connue pour sa capacité à survivre à des environnements extrêmes et sa remarquable résistance aux radiations. Notre TnpB, issue de D. radiodurans, ne comporte que 408 acides aminés.

Un court ARN sert de guide à TnpB, le dirigeant vers la séquence d’ADN cible. Spécifié par cet ARN, TnpB se lie à la cible et coupe les deux brins d’ADN. Lorsque les extrémités cassées sont rescellées par la cellule, des insertions ou des suppressions de lettres d’ADN peuvent se produire par inadvertance. Ces insertions ou suppressions entraînent la modification des séquences génétiques.

Il existe un niveau de spécificité supplémentaire : la séquence cible doit être adjacente à une séquence TAM (Transposon Associated Motif). Cette séquence TAM est analogue à la séquence PAM de Cas9 et Cas12. Pour la TnpB de D. radiodurans, le TAM spécifique est TTGAT, qui doit être présent en amont de la séquence cible. En ce sens, TnpB peut accéder à des loci génomiques que Cas9 ne peut pas atteindre.

Réutilisation de TnpB pour l’édition du génome végétal

Nous avons d’abord optimisé la séquence de la protéine TnpB au niveau des codons afin de développer un éditeur de génome pour les systèmes végétaux. Nous avons également optimisé les combinaisons d’éléments régulateurs afin de produire suffisamment d’ARN guide pour une édition du génome végétal à haute efficacité. En testant quatre versions différentes de systèmes de vecteurs d’édition du génome dans des protoplastes de riz, nous avons identifié la version la plus efficace.

Le riz est une monocotylédone, et les systèmes qui fonctionnent bien chez les monocotylédones peuvent ne pas fonctionner aussi bien chez les dicotylédones. Par conséquent, nous avons généré des vecteurs TnpB spécifiques aux dicotylédones et démontré une édition réussie chez Arabidopsis. Il est intéressant de noter que nous avons observé que la plupart des délétions se produisaient au niveau des loci cibles chez le riz et chez Arabidopsis. Cela rend TnpB apte à perturber efficacement les fonctions des gènes. TnpB pourrait désormais être utilisé pour introduire des mutations génétiques afin de perturber les gènes indésirables afin d’éliminer les facteurs antinutritionnels, d’améliorer la teneur en nutriments, la résistance au stress biotique et abiotique, et plus encore.

Un TnpB mort pour l’activation du gène et l’échange de lettres d’ADN simples

Bien que la TnpB dans sa forme native agisse comme des ciseaux programmables, elle peut également être adaptée pour recruter des facteurs qui activent les gènes. En inactivant sa capacité de coupe, nous avons développé la TnpB désactivée (dTnpB). La dTnpB conserve sa capacité à se lier à l’ADN cible spécifié par l’ARN guide. Nous avons ensuite fusionné la dTnpB avec des protéines de chargement supplémentaires pour les canaliser vers les gènes cibles, rendant ces gènes plus actifs. Cet outil d’activation peut stimuler la fonction des gènes, ouvrant la voie à la création de meilleures cultures à l’avenir.

De même, nous avons fusionné une autre protéine cargo avec dTnpB pour développer un outil capable d’échanger une lettre d’ADN contre une autre. Cet outil précis permettra d’innover dans les cultures en modifiant le code génétique avec une résolution d’une seule lettre.

Nous exploitons cet éditeur de génome miniature pour créer des plants de riz avec des rendements améliorés et une résilience climatique accrue. Nos recherches mettent en évidence que TnpB est un outil très polyvalent et prometteur pour l’ingénierie du génome végétal. Nous espérons que les biologistes végétaux, les biotechnologues et les sélectionneurs adopteront TnpB pour une utilisation dans une variété de cultures.

Cet article fait partie de Science X Dialog, où les chercheurs peuvent présenter les résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour obtenir des informations sur Science X Dialog et sur la manière de participer.

Le Dr Kutubuddin Molla est un scientifique spécialisé en biotechnologie agricole à l’ICAR-National Rice Research Institute (NRRI) à Cuttack, en Inde. Il a obtenu son doctorat à l’Université de Calcutta, Kolkata. Le Dr Molla a mené des recherches postdoctorales à l’Université d’État de Pennsylvanie grâce à la bourse Fulbright.

Les recherches du Dr Molla portent sur l’édition précise du génome, en utilisant CRISPR-Cas et d’autres techniques avancées pour l’amélioration des cultures. Son laboratoire au NRRI se consacre au développement de nouveaux outils d’édition du génome et à leur application pour améliorer les performances des cultures.