Modélisation précise des maladies mitochondriales : une étude basée sur les mitobes optimisés

Contexte académique

Les maladies mitochondriales sont un groupe de maladies génétiques causées par des mutations de l’ADN mitochondrial (ADNmt), affectant le métabolisme énergétique des cellules et entraînant des dysfonctionnements de divers organes. Les mutations de l’ADNmt peuvent être homoplasmiques (affectant toutes les copies de l’ADNmt) ou hétéroplasmiques (coexistence de l’ADNmt muté et sauvage). Ces mutations sont relativement rares dans la population, mais une fois qu’elles surviennent, elles entraînent souvent des symptômes cliniques graves, tels que le syndrome de Leigh et la neuropathie optique héréditaire de Leber (LHON). En raison du manque de modèles animaux appropriés, la recherche et le traitement des maladies mitochondriales sont limités. Par conséquent, le développement de modèles animaux capables de reproduire avec précision les maladies mitochondriales humaines est crucial.

Cette étude vise à optimiser les éditeurs de bases mitochondriaux (mitobes) pour réduire les effets hors cible, améliorer l’efficacité et la précision de l’édition, fournissant ainsi des outils pour la modélisation précise des maladies mitochondriales. Grâce à cette technologie, les chercheurs peuvent simuler des mutations de maladies mitochondriales humaines dans des modèles murins, jetant les bases pour l’étude des mécanismes de la maladie et le développement de stratégies thérapeutiques.

Source de l’article

Cette recherche a été menée conjointement par Xiaoxue Zhang, Xue Zhang, Jiwu Ren, Jiayi Li, Xiaoxu Wei, Ying Yu, Zongyi Yi et Wensheng Wei. L’équipe de recherche est issue du Changping Laboratory, du Peking University Genome Editing Research Center et du Peking-Tsinghua Center for Life Sciences. L’article a été accepté par la revue Nature le 28 novembre 2024 et publié en ligne en décembre 2024.

Processus de recherche

1. Optimisation et développement des mitobes

L’équipe de recherche a d’abord optimisé les éditeurs de bases mitochondriaux (mitobes) pour réduire leurs effets hors cible sur le transcriptome et le génome mitochondrial. Les mitobes sont un outil d’édition génique combinant une déaminase d’ADN simple brin et une nickase, capable de réaliser des éditions de bases C-to-T et A-to-G dans l’ADN mitochondrial. Pour améliorer encore l’efficacité et la précision de l’édition, les chercheurs ont modifié les déaminases.

• Optimisation de l’éditeur A-to-G : Grâce à un criblage par mutagenèse saturante, les chercheurs ont découvert que la mutation V28F dans la protéine Tada8e-V106W pouvait augmenter significativement l’efficacité de l’édition et réduire les effets hors cible au niveau du transcriptome. Le mitoABE v2 optimisé a augmenté l’efficacité de l’édition de 14 % à 26 % dans les cellules murines.

• Optimisation de l’éditeur C-to-T : Les chercheurs ont testé 16 déaminases de cytosine différentes et ont constaté que CBE6D offrait les meilleures performances en termes d’efficacité d’édition et d’effets hors cible. Le mitoCBE v2 optimisé a atteint une efficacité d’édition de 60 % dans les cellules murines, avec des effets hors cible significativement réduits.

2. Édition de l’ADN mitochondrial dans des modèles murins

Les chercheurs ont utilisé les mitobes v2 optimisés pour cibler 70 sites d’ADN mitochondrial de souris similaires aux mutations pathogènes humaines. En injectant des mitobes v2 codés par circRNA dans des zygotes de souris, les chercheurs ont réussi à atteindre une efficacité d’édition allant jusqu’à 82 % chez les souris, sans détecter d’effets hors cible dans le génome nucléaire.

• Évaluation de l’efficacité de l’édition : Les chercheurs ont évalué l’efficacité de l’édition dans des embryons de souris et des souris F0. Les résultats ont montré que les mitobes v2 codés par circRNA avaient une efficacité d’édition significativement plus élevée que les versions codées par mRNA, atteignant jusqu’à 65 %-82 % dans les embryons de souris.

• Persistance et distribution tissulaire de l’édition : Les chercheurs ont mesuré l’efficacité de l’édition chez des souris âgées de 2 et 6 mois, constatant que les effets de l’édition persistaient dans divers tissus, avec une efficacité d’édition relativement stable dans différents tissus.

3. Héritabilité de l’édition de l’ADN mitochondrial

Les chercheurs ont étudié l’héritabilité de l’édition de l’ADN mitochondrial en croisant des souris femelles éditées avec des souris mâles sauvages. Les résultats ont montré que l’ADN mitochondrial édité pouvait être transmis par voie maternelle à la progéniture, avec une charge mutationnelle atteignant 100 % chez certaines souris F1. Cela indique que les mitobes v2 peuvent générer des modèles murins avec une charge mutationnelle élevée, fournissant un outil important pour étudier les mécanismes génétiques des maladies mitochondriales.

4. Évaluation des phénotypes de la maladie

Les chercheurs ont également évalué les phénotypes de la maladie chez les souris éditées. Les résultats ont montré que les souris porteuses de la mutation mt-ATP6 T8591C présentaient une réduction de la fréquence cardiaque et une diminution de la fraction d’éjection ventriculaire gauche, correspondant aux symptômes du syndrome de Leigh. En revanche, les souris porteuses de la mutation mt-ND5 A12784G présentaient une diminution de l’acuité visuelle, similaire aux symptômes de la neuropathie optique héréditaire de Leber (LHON).

Conclusion de l’étude

En optimisant les mitobes, les chercheurs ont développé avec succès un outil d’édition de l’ADN mitochondrial efficace et précis, capable de simuler des mutations de maladies mitochondriales humaines dans des modèles murins. Cet outil offre non seulement une efficacité d’édition élevée et des effets hors cible réduits, mais permet également de transmettre l’ADN mitochondrial édité par voie maternelle à la progéniture. Les résultats de l’étude montrent que les mitobes v2 peuvent reproduire efficacement les phénotypes de maladies mitochondriales telles que le syndrome de Leigh et la LHON, fournissant un outil important pour l’étude des mécanismes de la maladie et le développement de stratégies thérapeutiques.

Points forts de l’étude

1. Efficacité d’édition élevée et effets hors cible réduits : Les mitobes v2 optimisés ont atteint une efficacité d’édition allant jusqu’à 82 % dans les modèles murins, sans détecter d’effets hors cible dans le génome nucléaire.

2. Persistance et distribution tissulaire : L’ADN mitochondrial édité persiste dans divers tissus, avec une efficacité d’édition relativement stable dans différents tissus.

3. Héritabilité maternelle : L’ADN mitochondrial édité peut être transmis par voie maternelle à la progéniture, avec une charge mutationnelle atteignant 100 % chez certaines souris F1.

4. Reproduction précise des phénotypes de la maladie : Les chercheurs ont reproduit avec succès les phénotypes de maladies mitochondriales telles que le syndrome de Leigh et la LHON, fournissant un outil important pour l’étude des mécanismes de la maladie et le développement de stratégies thérapeutiques.

Importance de l’étude

Cette étude fournit un outil important pour la modélisation précise des maladies mitochondriales, aidant les chercheurs à mieux comprendre les mécanismes génétiques de ces maladies et à jeter les bases pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques. L’efficacité d’édition élevée et les effets hors cible réduits des mitobes v2 ouvrent des perspectives prometteuses pour leur utilisation future en thérapie génique.