Une protéine conçue par l’IA réveille les gènes silencieux, un par un

En combinant la technologie CRISPR avec une protéine conçue avec l’intelligence artificielle (IA), il est possible de réveiller des gènes dormants individuels en désactivant les « interrupteurs d’arrêt » chimiques qui les réduisent au silence. Des chercheurs de la faculté de médecine de l’Université de Washington à Seattle décrivent cette découverte dans la revue Cell Reports.

L’approche permettra aux chercheurs de comprendre le rôle que jouent les gènes individuels dans la croissance et le développement cellulaires normaux, dans le vieillissement et dans des maladies telles que le cancer, a déclaré Shiri Levy, boursière postdoctorale à l’UW Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine (ISCRM) et le auteur principal de l’article.

“La beauté de cette approche est que nous pouvons réguler à la hausse en toute sécurité des gènes spécifiques pour affecter l’activité cellulaire sans modifier de façon permanente le génome et provoquer des erreurs involontaires”, a déclaré Levy.

Le projet était dirigé par Hannele Ruohola-Baker, professeur de biochimie et directrice associée de l’ISCRM. La protéine conçue par l’IA a été développée à l’UW Medicine Institute for Protein Design (IPD) sous la direction de David Baker, également professeur de biochimie et directeur de l’IPD.

La nouvelle technique contrôle l’activité des gènes sans altérer la séquence d’ADN du génome en ciblant les modifications chimiques qui aident à empaqueter les gènes dans nos chromosomes et à réguler leur activité. Parce que ces modifications ne se produisent pas dans les gènes, mais au-dessus des gènes, elles sont appelées épigénétiques, du grec epi “au-dessus” ou “au-dessus” des gènes. Les modifications chimiques qui régulent l’activité des gènes sont appelées marqueurs épigénétiques.

Les scientifiques s’intéressent particulièrement aux modifications épigénétiques car non seulement elles affectent l’activité des gènes dans la fonction cellulaire normale, mais les marqueurs épigénétiques s’accumulent avec le temps, contribuent au vieillissement et peuvent affecter la santé des générations futures car nous pouvons les transmettre à nos enfants.

Dans leur travail, Levy et ses collègues se sont concentrés sur un complexe de protéines appelé PRC2 qui fait taire les gènes en attachant une petite molécule, appelée groupe méthyle, à une protéine qui conditionne les gènes appelés histones. Ces groupes méthyle doivent être rafraîchis, donc si PRC2 est bloqué, les gènes qu’il a réduits au silence. il peut être réveillé.

PRC2 est actif tout au long du développement mais joue un rôle particulièrement important pendant les premiers jours de la vie lorsque les cellules embryonnaires se différencient en différents types cellulaires qui formeront les tissus et organes de l’embryon en croissance. PRC2 peut être bloqué avec des produits chimiques, mais ils sont imprécis, affectant la fonction PRC2 dans tout le génome. L’objectif des chercheurs de l’UW était de trouver un moyen de bloquer PRC2 afin qu’un seul gène à la fois soit affecté.

Pour ce faire, David Baker et ses collègues utilisent l’IA pour créer une protéine qui se lierait à PRC2 et bloquerait une protéine que PRC2 utilise pour modifier les histones. Ruohola-Baker et Levy ont ensuite fusionné cette protéine conçue avec une version désactivée d’une protéine appelée Cas9.

Cas9 est la protéine utilisée dans le processus d’édition de gènes appelé CRISPR. Cas9 lie et utilise l’ARN comme étiquette d’adresse. Le système permet aux scientifiques, en synthétisant un ARN “d’étiquette d’adresse” spécifique, d’amener Cas9 à un emplacement précis dans le génome et donc de couper et d’épisser des gènes à des sites spécifiques. Dans cette expérience, cependant, la fonction de coupe de la protéine Cas9 est désactivée, de sorte que la séquence d’ADN génomique n’est pas modifiée. En conséquence, il s’appelle dCas9, pour “mort”. Cependant, la fonction Cas9 en tant que “véhicule” pour livrer une cargaison à un endroit spécifique reste active. La protéine bloquante conçue par l’IA était la cargaison de la construction dCas9-ARN. “dCas9 est comme UBER”, déclare Levy, “il vous emmènera n’importe où sur le génome où vous voulez aller. L’ARN guide est comme un passager, indiquant à l’UBER où aller.”

Dans le nouvel article, Levy et ses collègues montrent qu’en utilisant cette technique, ils ont pu bloquer PRC2 et activer de manière sélective quatre gènes différents. Ils ont également pu montrer qu’ils pouvaient transdifférencier les cellules souches pluripotentes induites en cellules progénitrices placentaires en activant simplement deux gènes.

“Cette technique nous permet d’éviter de bombarder les cellules avec divers facteurs de croissance et activateurs et répresseurs de gènes pour les amener à se différencier”, a déclaré Levy. “Au lieu de cela, nous pouvons cibler des sites spécifiques sur la région des promoteurs de transcription génique, lever ces marques et laisser la cellule faire le reste de manière organique et holistique.”

Enfin, les chercheurs ont pu montrer comment la technique peut être utilisée pour trouver l’emplacement de régions régulatrices spécifiques contrôlées par PRC2 à partir desquelles des gènes individuels sont activés. L’emplacement de beaucoup d’entre eux est inconnu. Dans ce cas, ils ont identifié une région promotrice – appelée boîte TATA – pour un gène appelé TBX18. Bien que la pensée actuelle soit que ces régions promotrices sont proches du gène, dans les 30 paires de bases d’ADN, ils ont découvert que pour ce gène, la région promotrice était à plus de 500 paires de bases.

“Ce fut une découverte très importante”, a déclaré Ruohola-Baker. “Les boîtes TATA sont dispersées dans tout le génome, et la pensée actuelle en biologie est que les boîtes TATA importantes sont très proches du site de transcription du gène et que les autres ne semblent pas avoir d’importance. La puissance de cet outil est qu’il peut trouver le point critique Éléments dépendants de PRC2, dans ce cas les boîtes TATA qui comptent.”

Les modifications épigénétiques décorent de larges régions du génome dans les cellules normales et anormales. Cependant, l’unité fonctionnelle minimale pour la modification épigénétique reste mal comprise, note Ruohola-Baker : “Avec ces deux avancées, les protéines conçues par l’IA et la technologie CRISPR, nous pouvons désormais trouver les marques épigénétiques précises qui sont importantes pour l’expression des gènes, apprendre le règles et les utiliser pour contrôler la fonction cellulaire, conduire la différenciation cellulaire et développer des thérapies du 21e siècle. »

Levy S, Somasundaram L, Raj IX, Ic-Mex D, Phal A, Schmidt S, Ng WI, Mar D, Decarreau J, Moss N, Alghadeer A, Honkanen H, Sarthy J, Vitanza N, Hawkins RD, Mathieu J, Wang Y, Baker D, Bomsztyk K, Ruohola-Baker H.
La fusion de dCas9 à l’inhibiteur de PRC2 conçu par ordinateur révèle une boîte TATA fonctionnelle dans la région distale du promoteur.
Cell Rep. 1er mars 2022;38(9):110457. est ce que je: 10.1016/j.celrep.2022.110457