Un éditeur génétique miniature pourrait ouvrir la voie à la sélection végétale de précision

Un éditeur génétique miniature pourrait ouvrir la voie à la sélection végétale de précision

Des enzymes de « gènes sauteurs » modifiés rivalisent avec l'efficacité de CRISPR pour produire des modifications génétiques héréditaires

Liana Wait, pour l'UC Davies, College of Biological Sciences*

Des biologistes végétaux ont utilisé des plants de tabac pour tester un éditeur génétique miniaturisé, conçu pour surmonter les limites de taille de CRISPR/Cas9. Administré par un virus en une seule étape, le système a permis d'obtenir des modifications hautement efficaces et héréditaires, ouvrant la voie à une sélection de précision plus rapide sans insertion d'ADN étranger. (Sasha Bakhter / UC Davis)

L'édition génétique recèle un énorme potentiel pour aider à nourrir la population mondiale croissante, mais elle est actuellement difficile, chronophage et ne fonctionne que sur certaines espèces végétales. Une grande partie du problème réside dans la taille de CRISPR/Cas9 : il est trop volumineux pour être introduit dans les cellules végétales.

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Dans une nouvelle étude publiée dans Nature Plants, des chercheurs de l’UC Davis et de l’Innovative Genomics Institute (IGI) de l’UC Berkeley montrent qu’une alternative plus petite à CRISPR/Cas9 pourrait aider à surmonter ces obstacles. Ils ont utilisé une version modifiée d’une enzyme de « gène sauteur » pour modifier le génome de plantes de tabac via un processus en une seule étape. Cette méthode s'est révélée très efficace, et les modifications génétiques obtenues ont été transmises à plus de 90 % de la génération suivante de plantes — un taux d'héritabilité équivalent à celui de Cas9.

« Nous avons besoin d’éditeurs de gènes ultra-efficaces pour développer des plantes capables de résister à des facteurs de stress tels que la sécheresse et les agents pathogènes, ou qui produisent des rendements plus élevés », a déclaré M. Savithramma Dinesh-Kumar, professeure et titulaire de la chaire du Département de Biologie Végétale. « Cette méthode présente un grand potentiel pour permettre la création de plantes dotées de caractères spécifiques sans recourir à la modification génétique. »

Des vecteurs viraux aux capacités limitées

Les scientifiques utilisent souvent des virus pour acheminer des outils d’édition génétique vers les cellules végétales et animales, car les virus insèrent naturellement de l’ADN et de l’ARN dans les cellules qu’ils infectent. Cependant, les virus végétaux ont une capacité de charge limitée, et CRISPR/Cas9 est trop volumineux pour qu’ils puissent le transporter.

C’est pourquoi les biologistes végétaux doivent généralement recourir à un processus en deux étapes pour l’édition génétique. Tout d’abord, ils insèrent Cas9 dans le génome de la plante. Ensuite, ils utilisent un virus pour acheminer CRISPR, qui guide Cas9 vers le site cible dans le génome. Ce processus prend du temps et ne fonctionne pas chez toutes les espèces végétales. De plus, comme il implique l’insertion d’un gène étranger (Cas9), cette méthode est classée comme « modification génétique » et est soumise à une réglementation plus stricte que l’édition génétique, qui consiste à modifier le génome existant d’un organisme sans insérer d’ADN étranger.

Pour surmonter les limites de charge des virus et éliminer le recours à la modification génétique, l’équipe a cherché à savoir si une alternative plus petite à Cas9, une enzyme appelée TnpB, pouvait être utilisée pour l’édition génétique chez les plantes. TnpB est associée aux transposons ou « gènes sauteurs », de courtes séquences d’ADN capables de se déplacer entre différentes parties du génome en utilisant un mécanisme de « copier-coller » similaire à celui de CRISPR/Cas9. Cependant, TnpB ne compte qu'environ 400 acides aminés, contre 1.300 pour Cas9 — une taille bien plus facile à gérer pour une livraison virale.

Améliorer les éditeurs de gènes de la nature

L'équipe a utilisé des TnpB modifiées pour désactiver des gènes impliqués dans la synthèse des pigments, ce qui leur a permis d'observer facilement si l'édition génétique avait fonctionné. Les taches jaunes sur ces plantes de tabac indiquent les endroits où le gène ChlH, impliqué dans la synthèse de la chlorophylle, a été désactivé. (Savithramma Dinesh-Kumar / UC Davis)

Il a été démontré que la protéine bactérienne TnpB présente à l'état naturel édite des gènes dans les cellules humaines et végétales, mais elle ne fonctionne que dans environ 3 à 10 % des cas. Afin d'améliorer l'efficacité de l'édition génétique de la TnpB, les chercheurs ont testé deux versions améliorées de la TnpB (eTnpBc et eTnpBe) mises au point par le groupe de M. Dave Savage à l'IGI. Pour augmenter l'héritabilité, les chercheurs ont également ajouté une courte séquence d'ARN qui facilite la propagation virale vers la lignée germinale de la plante, c'est-à-dire les cellules qui produisent les ovules et le sperme de la plante.

Les chercheurs ont testé les TnpB modifiés sur des plantes de tabac (Nicotiana benthamiana) et ont utilisé le virus du rattle du tabac comme vecteur. Pour rendre les modifications génétiques facilement détectables, ils ont désactivé un gène dont le rôle est visible : la phytoène désaturase (PDS), qui intervient dans la synthèse des pigments. Lorsque le gène PDS est désactivé, les tissus végétaux deviennent blancs.

Lorsqu'ils ont injecté des virus porteurs de TnpB à des plantules de tabac âgées de deux semaines et demie, ils ont pu constater que l'édition génétique avait lieu, car des taches blanches étaient apparues sur les feuilles à mesure que le virus se propageait dans les plantes. L'analyse moléculaire de l'équipe a confirmé que l'eTnpBc, qui a atteint une efficacité d'édition génétique allant jusqu'à 70 %, était plus efficace que l'eTnpBe ou la version naturelle du TnpB, qui ont induit des efficacités d'édition de 26 % et 12 %, respectivement.

« Ces résultats montrent ce qu’il est possible de réaliser lorsque l’on conçoit une technologie d’édition génomique spécifiquement destinée aux plantes, plutôt que d’adapter celle utilisée en sciences biomédicales », a déclaré M. Savage. « Je suis impatient de voir comment nos approches pourront surmonter les obstacles actuels en génétique végétale. »

L’eTnpBc s’est révélé être un éditeur génétique encore plus efficace lorsque l’équipe l’a chargé d’éditer le gène ChlH, impliqué dans la synthèse de la chlorophylle. « eTnpBc a atteint une efficacité de 90 % pour l’édition du gène ChlH, ce qui nous indique que la cible choisie a une incidence sur l’efficacité », a déclaré M. Dinesh-Kumar. « Nos résultats montrent une efficacité bien supérieure à celle de toutes les études publiées précédemment qui utilisaient des TnpB. »

Édition génétique hautement héritable

Pour vérifier si les modifications génétiques étaient héritables, les chercheurs ont récolté et fait germer les graines des plantes génétiquement modifiées. Ils ont démontré que les modifications ciblant PDS et ChlH étaient toutes deux hautement héritables : 89 % des plantules issues de plantes génétiquement modifiées pour PDS et présentant des gousses blanches étaient entièrement blanches, tandis que 100 % des plantules issues de plantes génétiquement modifiées pour ChlH et présentant des gousses jaunes étaient entièrement jaunes.

« Cela signifie que le TnpB est capable d’inactiver toutes les copies de PDS ou de ChlH, ce qui est incroyable », a déclaré M. Dinesh-Kumar. « J’ai été surpris que cela fonctionne aussi bien, car jusqu’à présent, dans la littérature, seul Cas9 atteint ce niveau d’efficacité. »

La prochaine étape consiste à adapter TnpB afin qu'il puisse être utilisé sur des espèces cultivées, indiquent les chercheurs. Ils travaillent actuellement à transposer le système sur des plantes de tomates et de poivrons, qui appartiennent à la même famille que le tabac.

« Cette méthode présente un énorme potentiel pour accélérer la sélection végétale de précision, en accélérant le processus et en permettant l'édition génétique chez des espèces qui ne peuvent pas être modifiées à l'aide de la méthode habituelle », a déclaré M. Dinesh-Kumar.

Les autres auteurs de l'étude sont : Ugrappa Nagalakshmi et Thi Nguyen, de l'UC Davis ; ainsi que Jorge E. Rodriguez, Rachel F. Weissman, Brittney W. Thornton et Cynthia I. Terrace, de l'Université de Californie à Berkeley. Ces travaux ont été soutenus par la National Science Foundation et l'Innovative Genomics Institute, et ont utilisé les installations de l'environnement contrôlé.

Ressources pour les médias

High-efficiency, transgene-free plant genome editing by viral delivery of an engineered TnpB (Nature Plants (édition du génome végétal hautement efficace et sans transgène par administration virale d’une protéine TnpB modifiée (Nature Plants)

Liana Wait est une rédactrice scientifique indépendante basée à Philadelphie. Titulaire d’un doctorat en écologie et biologie évolutive, elle est spécialisée dans la rédaction d’articles sur les sciences de la vie.

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* Source : A Pint-Sized Gene Editor Could Expand Precision Breeding in Plants | College of Biological Sciences