Exploiter des protéines synthétiques de liaison à l’ARN à motifs PPR pour le contrôle ciblé de l’expression génétique dans les organismes vivants – SynPPR

Les protéines PPR lient l’ARN selon un code de reconnaissance en acides aminés simple, nous permettant de concevoir des protéines à façon liant une séquence d’ARN désirée. Dans ce projet, nous concevrons différentes protéines à motifs PPR synthétiques programmées pour reconnaître une séquence ARN spécifique. Nous exprimerons par transgenèse ces protéines dans différents organismes vivants (plantes, cellules humaines et bactéries) afin de cibler des ARNm particuliers et contrôler leur devenir et ainsi, l'expression de leurs gènes.

Dans le cadre de notre projet, nous avons conçu avec succès de nouveaux outils basés sur des protéines synthétiques, appelées synPPR, capables de stabiliser des ARNm cibles dans les chloroplastes des plantes et d’éditer précisément les bases de l’ARN dans les chloroplastes et mitochondries. Ces outils permettent ainsi de réécrire l’information génétique des ARNm et de contrôler l’expression des gènes de manière ciblée.

Cependant, l’utilisation des synPPR pour stabiliser les ARNm dans le cytoplasme des bactéries ou dans le noyau des cellules humaines n’a pas rencontré le succès escompté, probablement en raison de la plus grande complexité des transcriptomes cytonucléaires, comparée à celle des organites des plantes.

Le projet a ouvert plusieurs perspectives prometteuses tant sur le plan scientifique que technologique. Tout d'abord, le développement d'outils synPPR capables de moduler l'expression des ARN dans les chloroplastes et les mitochondries ouvre la voie à des applications en biotechnologie végétale, notamment pour l'amélioration des traits agronomiques. En permettant une édition ciblée des ARN dans les organites, ces technologies pourraient contribuer à la création de nouvelles variétés végétales dotées d'une meilleure résistance aux stress environnementaux, d'une efficacité photosynthétique accrue, ou encore de caractéristiques spécifiques comme la stérilité mâle cytoplasmique (CMS) et la restauration de fertilité pour la production de lignées hybrides. Sur le plan fondamental, ces outils synPPR offrent également des opportunités pour mieux comprendre les mécanismes de régulation post-transcriptionnelle et les interactions ARN-protéine dans les organites végétaux. La capacité de cibler des ARN de manière précise pourrait également être étendue à d'autres systèmes biologiques, ouvrant ainsi des perspectives pour la recherche en génétique humaine, notamment dans le cadre des maladies mitochondriales. Enfin, les défis techniques rencontrés, notamment en ce qui concerne l'expression des synPPR et la maîtrise de leur spécificité de liaison à l'ARN, soulignent la nécessité de poursuivre les efforts de recherche pour optimiser ces outils et élargir leur champ d'application au-delà des organites végétaux. Ces développements pourraient également aboutir à des avancées en biotechnologie industrielle, où la régulation fine de l'expression génétique est essentielle.

Aucune

Le génie génétique représente un enjeu majeur pour la recherche fondamentale mais aussi appliquée. Malheureusement, la plupart des méthodes qui permettent la manipulation des gènes nucléaires ne sont pas facilement transposables aux mitochondries et chloroplastes qui contiennent leur propre génome. La compréhension de l’importance des mécanismes post-transcriptionnels dans la régulation de l’expression des gènes et du rôle d’ARN défectueux dans certaines myopathies ou dans le contrôle de la fertilité des plantes a engendré le développement de nouveaux outils de génie génétique ciblant les ARNs. Les protéines de liaison aux ARNs jouent des rôles essentiels dans le métabolisme de l’ARN et la capacité à concevoir des protéines qui se lieraient à n’importe quelle séquence ARN pourrait fournir un outil innovant pour le génie génétique.
Dans ce contexte, les protéines pentatricopeptide repeat (PPR) représentent une classe idéale de protéines de liaison à l’ARN dont l'architecture modulaire et les propriétés de liaison aux ARNs représentent des options intéressantes pour la mise en place d’outils visant à contrôler l’expression ou le fonctionnement des ARNs. Les protéines PPR sont constituées d'un nombre variable de répétitions d’un motif dégénéré de 35 acides aminés qui se lient à des séquences d'ARN spécifiques suivant un mécanisme dans lequel chaque motif répété reconnaît une seule base de l’ARN grâce à l'action combinatoire de 2 acides aminés dans chaque répétition. Ce code de reconnaissance permet aujourd’hui de concevoir des protéines PPR ayant la capacité de lier n’importe quelle séquence ARN d’intérêt. En utilisant une PPR synthétique optimisée et ce code de reconnaissance, nous avons démontré, en préambule à ce projet, que des répétitions de motif PPR synthétiques (SynPPRs) pouvaient être programmées pour s’associer à n’importe quelle séquence ARN, ouvrant ainsi la porte à de nombreuses applications en biologie de synthèse.
Le projet SynPPR visera à développer des protéines PPR synthétiques utiles pour la biologie végétale, l’agronomie et la médecine et sera organisé en 3 tâches. La tâche 1 utilisera les SynPPRs pour réguler l’expression des gènes des organites chez Arabidopsis et contrôler la production de pollen chez les plantes cultivées. Lors de la tâche 2, nous concevrons des SynPPRs dont le rôle sera de réprimer des ARN toxiques dans le noyau de cellules humaines malades. Finalement, dans une dernière tâche 3, nous concevrons un crible haut-débit chez E. coli pour sélectionner rapidement des interactions protéine-ARN et ainsi améliorer la compréhension des mécanismes de liaison PPR-RNA. Ces derniers résultats seront utilisés pour affiner la conception des protéines SynPPRs.
Ce projet multidisciplinaire impliquera une collaboration entre 3 équipes internationalement reconnues, aux expertises complémentaires. L’équipe de K. Hammani au CNRS-IBMP, Strasbourg (partenaire 1) est reconnue pour la biochimie des protéines PPR. Celle de H. Mireau à l’INRA-IJPB, Versailles (partenaire 2) est experte dans le contrôle mitochondrial de la production du pollen et la traduction mitochondriale végétale et l’équipe de D. Furling à l’INSERM-CRM (partenaire 3) est un leader mondial dans le développement de biothérapies pour la dystrophie myotonique.
Les connaissances acquises dans le cadre du projet SynPPR auront un fort impact économique et scientifique puisqu’elles apporteront d’une part, une méthode nouvelle pour le génie génétique exploitable à la fois en recherche fondamentale et appliquée et d’autre part, répondront à certains enjeux primordiaux de l’agriculture moderne, comme la production de gènes restaurateurs de fertilité mâle optimaux qui faciliteront la production de semences hybrides chez les plantes ou, cliniques comme le développement de solution curatives à certaines maladies humaines associées à des ARN toxiques.