Une collaboration développe un candidat thérapeutique puissant pour les maladies mortelles à prions

Le développement d’un médicament est généralement lent : il faut parfois des décennies pour passer des découvertes de la recherche fondamentale qui servent de base à un nouveau médicament aux essais cliniques et à la production d’un médicament largement disponible. Mais ces décennies peuvent sembler interminables pour une personne atteinte d’une maladie mortelle.

Sonia Vallabh, chef de groupe senior du Broad Institute, est parfaitement consciente de cette course contre la montre, car le sujet de ses recherches est une maladie neurodégénérative et finalement mortelle – l'insomnie familiale mortelle, un type de maladie à prions – qu'elle développera presque certainement en vieillissant.

Vallabh et son mari, Eric Minikel, ont changé de carrière et sont devenus chercheurs après avoir appris que Vallabh était porteuse d'une version pathogène du gène de la protéine prion et qu'il n'existait aucun traitement efficace contre les maladies mortelles à prions.

Les deux hommes dirigent désormais un laboratoire au Broad Institute où ils travaillent au développement de médicaments capables de prévenir et de traiter ces maladies, et leur délai de réussite n'est pas basé sur des cycles de subventions ou des attentes académiques, mais sur la bombe à retardement dans le code génétique de Vallabh.

C'est pourquoi Vallabh a été ravie de découvrir, lorsqu'elle a entamé une collaboration avec Jonathan Weissman, membre de l'Institut Whitehead, que le groupe de Weissman aime travailler à plein régime.

En moins de deux ans, Weissman, Vallabh et leurs collaborateurs ont développé un ensemble d'outils moléculaires appelés CHARM qui peuvent désactiver les gènes pathogènes tels que le gène de la protéine prion, ainsi que, potentiellement, les gènes codant pour de nombreuses autres protéines impliquées. dans les maladies neurodégénératives et autres – et ils perfectionnent ces outils pour en faire de bons candidats pour une utilisation chez les patients humains.

Bien que les outils doivent encore franchir de nombreux obstacles avant que les chercheurs sachent s’ils fonctionnent comme thérapies, l’équipe est encouragée par la vitesse à laquelle elle a développé la technologie jusqu’à présent.

« Depuis le début, l'esprit de collaboration a été de ne pas attendre de formalités », explique Vallabh. « Dès que nous avons pris conscience de notre enthousiasme mutuel à l'idée de faire cela, tout s'est mis en branle. »

Les auteurs co-correspondants Weissman et Vallabh et les co-premiers auteurs Edwin Neumann, étudiant diplômé du laboratoire de Weissman, et Tessa Bertozzi, postdoctorante au laboratoire de Weissman, décrivent CHARM, qui signifie Coupled Histone tail for Autoinhibition Release of Méthyltransferase, dans un article. publié dans la revue Science le 27 juin.

“Avec les instituts Whitehead et Broad situés l'un à côté de l'autre, je ne pense pas qu'il existe un meilleur endroit que celui-ci pour qu'un groupe de personnes motivées puissent évoluer rapidement et avec flexibilité dans la poursuite de la science universitaire et de la technologie médicale”, déclare Weissman. qui est également professeur de biologie au Massachusetts Institute of Technology et enquêteur du HHMI.

« Les CHARMs sont une solution élégante au problème du silençage des gènes pathogènes, et ils ont le potentiel d'occuper une place importante dans l'avenir des médicaments génétiques. »

Pour traiter une maladie génétique, ciblez le gène

La maladie à prions, qui entraîne une neurodégénérescence rapide et la mort, est causée par la présence de versions déformées de la protéine prion. Celles-ci provoquent un effet en cascade dans le cerveau : les protéines prions défectueuses déforment d'autres protéines, et ensemble, ces protéines cessent non seulement de fonctionner correctement, mais forment également des agrégats toxiques qui tuent les neurones.

Le type le plus connu de maladie à prions, connu familièrement sous le nom de maladie de la vache folle, est contagieux, mais d'autres formes de maladie à prions peuvent survenir spontanément ou être causées par des gènes défectueux des protéines prions.

La plupart des médicaments conventionnels agissent en ciblant une protéine. Les CHARM, cependant, agissent plus en amont, désactivant le gène qui code pour la protéine défectueuse, de sorte que la protéine ne soit jamais produite. Les CHARM le font par édition épigénétique, dans laquelle une étiquette chimique est ajoutée à l'ADN afin de désactiver ou de faire taire un gène cible.

Contrairement à l'édition génétique, l'édition épigénétique ne modifie pas l'ADN sous-jacent : le gène lui-même reste intact. Cependant, comme l'édition génétique, l'édition épigénétique est stable, ce qui signifie qu'un gène désactivé par CHARM devrait rester désactivé. Cela signifie que les patients n'auraient à prendre CHARM qu'une seule fois, contrairement aux médicaments ciblant les protéines qui doivent être pris régulièrement à mesure que les niveaux de protéines des cellules se reconstituent.

Les recherches sur les animaux suggèrent que la protéine prion n’est pas nécessaire chez un adulte en bonne santé et qu’en cas de maladie, l’élimination de la protéine améliore, voire élimine, les symptômes de la maladie.

Chez une personne qui n’a pas encore développé de symptômes, la suppression de la protéine devrait permettre d’éviter complètement la maladie. En d’autres termes, l’édition épigénétique pourrait être une approche efficace pour traiter des maladies génétiques telles que les maladies à prions héréditaires. Le défi consiste à créer un nouveau type de thérapie.

Heureusement, l'équipe disposait d'un bon modèle pour CHARM : un outil de recherche appelé CRISPRoff que le groupe de Weissman avait précédemment développé pour faire taire les gènes.

CRISPRoff utilise des éléments de base de la technologie d'édition génétique CRISPR, notamment la protéine guide Cas9 qui dirige l'outil vers le gène cible. CRISPRoff rend le gène ciblé silencieux en ajoutant des groupes méthyles, des marqueurs chimiques qui empêchent le gène d'être transcrit ou lu en ARN et donc d'être exprimé sous forme de protéine.

Lorsque les chercheurs ont testé la capacité de CRISPRoff à faire taire le gène de la protéine prion, ils ont constaté qu’il était efficace et stable.

Cependant, plusieurs de ses propriétés ne permettaient pas à CRISPRoff d'être un bon candidat pour une thérapie. L'objectif des chercheurs était de créer un outil basé sur CRISPRoff qui soit tout aussi puissant mais également sûr pour une utilisation chez l'homme, suffisamment petit pour être administré au cerveau et conçu pour minimiser le risque de faire taire les mauvais gènes ou de provoquer des effets secondaires.

De l'outil de recherche au candidat médicament

Dirigés par Neumann et Bertozzi, les chercheurs ont commencé à concevoir et à appliquer leur nouvel éditeur d'épigénome. Le premier problème auquel ils ont dû s’attaquer était la taille, car l’éditeur doit être suffisamment petit pour être emballé et livré à des cellules spécifiques du corps.

L’introduction de gènes dans le cerveau humain est un véritable défi. De nombreux essais cliniques ont utilisé des virus adéno-associés (VAA) comme vecteurs de transfert de gènes, mais ces derniers sont de petite taille et ne peuvent contenir qu’une petite quantité de code génétique. CRISPRoff est bien trop volumineux. Le code de Cas9 à lui seul occupe la majeure partie de l’espace disponible.

Les chercheurs du laboratoire Weissman ont décidé de remplacer Cas9 par une protéine à doigt de zinc (ZFP) beaucoup plus petite. Comme Cas9, les ZFP peuvent servir de protéines de guidage pour diriger l'outil vers un site cible dans l'ADN. Les ZFP sont également courantes dans les cellules humaines, ce qui signifie qu'elles sont moins susceptibles de déclencher une réponse immunitaire contre elles-mêmes que la Cas9 bactérienne.

Les chercheurs ont ensuite dû concevoir la partie de l’outil qui rendrait inactif le gène de la protéine prion. Au début, ils ont utilisé une partie d’une méthyltransférase, une molécule qui ajoute des groupes méthyles à l’ADN, appelée DNMT3A. Cependant, dans la configuration particulière requise pour l’outil, la molécule était toxique pour la cellule.

Les chercheurs se sont concentrés sur une solution différente : au lieu d'administrer le DNMT3A en dehors du traitement, l'outil est capable de recruter le propre DNMT3A de la cellule dans le gène de la protéine prion. Cela a libéré un espace précieux à l’intérieur du vecteur AAV et évité la toxicité.

Les chercheurs ont également dû activer la protéine DNMT3A. Dans la cellule, la protéine DNMT3A est généralement inactive jusqu’à ce qu’elle interagisse avec certaines molécules partenaires. Cette inactivité par défaut empêche la méthylation accidentelle de gènes qui doivent rester activés.

Neumann a trouvé une solution ingénieuse en combinant des sections de molécules partenaires de DNMT3A et en les connectant à des ZFP qui les amènent au gène de la protéine prion. Lorsque le DNMT3A de la cellule rencontre cette combinaison de parties, il s'active, ce qui réduit le gène au silence.

« Du point de vue de la toxicité et de la taille, il était logique de faire appel aux mécanismes déjà présents dans la cellule. C'était une solution beaucoup plus simple et plus élégante », explique Neumann. « Les cellules utilisent déjà les méthyltransférases en permanence, et nous les trompons en fait pour qu'elles désactivent un gène qu'elles auraient normalement laissé activé. »

Des tests sur des souris ont montré que les CHARM guidés par ZFP pouvaient éliminer plus de 80 % de la protéine prion dans le cerveau, tandis que des recherches antérieures ont montré qu'une élimination aussi minime que 21 % pouvait améliorer les symptômes.

Une fois que les chercheurs ont compris qu’ils disposaient d’un puissant silencieux génétique, ils se sont tournés vers le problème des effets hors cible. Le code génétique d'un CHARM qui est délivré à une cellule continuera à produire des copies du CHARM indéfiniment.

Cependant, une fois le gène de la protéine prion désactivé, cela n'apporte aucun avantage, seulement plus de temps pour que les effets secondaires se développent, ils ont donc modifié l'outil de sorte qu'après avoir désactivé le gène de la protéine prion, il s'éteigne lui-même.

Pendant ce temps, un projet complémentaire du laboratoire du scientifique et collaborateur du Broad Institute Benjamin Deverman, axé sur la délivrance de gènes à l'échelle du cerveau et publié dans Science le 17 mai, a rapproché la technologie CHARM de sa préparation aux essais cliniques.

Bien que des types d’AAV d’origine naturelle aient déjà été utilisés pour la thérapie génique chez l’homme, ils ne pénètrent pas efficacement dans le cerveau adulte, ce qui rend impossible le traitement d’une maladie du cerveau entier telle que la maladie à prions.

S'attaquant au problème de livraison, le groupe de Deverman a conçu un vecteur AAV qui peut pénétrer plus efficacement dans le cerveau en exploitant une voie qui transporte naturellement le fer dans le cerveau. Des vecteurs techniques comme celui-ci rapprochent une thérapie comme CHARM de la réalité.

Grâce à ces solutions créatives, les chercheurs disposent désormais d’un éditeur épigénétique hautement efficace, suffisamment petit pour être délivré au cerveau et qui, dans les cultures cellulaires et les tests sur les animaux, semble avoir une faible toxicité et des effets hors cible limités.

“Cela a été un privilège de faire partie de cela ; il est assez rare de passer de la recherche fondamentale à l'application thérapeutique en si peu de temps”, déclare Bertozzi. “Je pense que la clé était de former une collaboration qui tirait parti de l'expérience du laboratoire Weissman en matière de création d'outils, des connaissances approfondies des laboratoires Vallabh et Minikel sur la maladie et de l'expertise du laboratoire Deverman en matière de délivrance de gènes.”

Regarder vers l'avant

Les principaux éléments de la technologie CHARM étant résolus, l'équipe peaufine désormais son outil pour le rendre plus efficace, plus sûr et plus facile à produire à grande échelle, comme cela sera nécessaire pour les essais cliniques. Ils ont déjà rendu l'outil modulaire, de sorte que ses différentes pièces peuvent être échangées et que les futurs CHARM n'auront pas à être programmés à partir de zéro. Les CHARM sont également actuellement testés comme produits thérapeutiques sur des souris.

Le chemin entre la recherche fondamentale et les essais cliniques est long et sinueux, et les chercheurs savent que les CHARM ont encore du chemin à parcourir avant de devenir une option médicale viable pour les personnes atteintes de maladies à prions, notamment Vallabh, ou d'autres maladies génétiquement similaires. Composants.

Mais grâce à un modèle thérapeutique solide et à des résultats de laboratoire prometteurs, les chercheurs ont de bonnes raisons d'être optimistes. Ils continuent de travailler à plein régime, déterminés à développer leur technologie afin qu'elle puisse sauver la vie des patients, non pas un jour, mais le plus rapidement possible.