ARN sur ordonnance

C'est du champagne pour tout le monde. Phil Zamore fait sauter le bouchon d'une bouteille de Montaudon et trempe le tout nouveau tapis. Tout le monde dans son labo remplit un verre pour porter un toast au patron. Une bonne nouvelle inattendue, explique-t-il. Zamore, biochimiste à la faculté de médecine de l'Université du Massachusetts à Worcester, vient de recevoir un prix national d'un million de dollars sur cinq ans. Le budget du labo vient de tripler.

Zamore est naturellement étourdi, et ce n'est pas seulement une question d'argent. Le domaine de Zamore, l'interférence ARN, ou ARNi, n'a que quelques années, mais il a pris d'assaut le monde de la biologie. L'ARNi est la perspicacité la plus passionnante en biologie au cours des dix ou vingt dernières années, déclare le lauréat du prix Nobel Phillip Sharp, biologiste au MIT. Et le laboratoire de Zamore est l'un des rares à faire avancer le domaine à un rythme vertigineux. Je pense que tous ceux qui travaillent sur le terrain sont un peu essoufflés par les progrès, dit Zamore.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de décembre 2002

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Le sentiment d'excitation partagé par Zamore, Sharp et d'autres chercheurs est bien fondé. Pendant des décennies, les chercheurs ont pensé que l'ARN n'était qu'un messager de l'ADN, délivrant servilement les plans de protéines de l'ADN. Mais il semble maintenant que de minuscules doubles brins d'ARN, introduits dans des cellules ou des animaux cultivés en laboratoire, peuvent désactiver rapidement et efficacement n'importe quel gène donné.

Les implications sont époustouflantes, car les organismes vivants sont en grande partie définis par l'activation et la désactivation de gènes de manière exquise. Les biologistes, jusqu'à présent, n'ont pu imiter ce processus de commutation que de manière lente, lourde et indirecte. Mais la facilité avec laquelle l'ARNi peut désactiver les gènes, disent les chercheurs, semble presque mystique. Les techniques de laboratoire utilisant l'ARNi sont déjà des méthodes de choix des biologistes pour découvrir les fonctions de gènes particuliers. Et il promet une nouvelle façon de traiter directement la maladie en fermant les gènes clés impliqués dans diverses maladies. Déjà, au moins huit sociétés, dont une fondée par Zamore, Sharp et leurs collègues, travaillent sur des thérapies ARNi pour tout, des maladies virales au cancer.

Le Saint Graal est de transformer tout cela en médicaments, dit Zamore. Pour pouvoir vous donner un petit ARN interférent qui bloquerait l'expression de votre gène riche en cholestérol. Cela réduirait le niveau d'hépatite C infectant votre foie. Ou peut-être, je pense que dans peut-être la plus grande application pie-in-the-sky, qui se concentrerait sur un gène spécifique aux cellules tumorales et tuerait la tumeur.

Tout le monde peut deviner combien de temps cela pourrait arriver. L'interférence ARN a fait irruption dans la conscience du monde scientifique lors de la réunion annuelle de la RNA Society à Banff, en Alberta, en mai 2001. Là, Sayda Elbashir, postdoctorante dans le laboratoire du biochimiste Thomas Tuschl au Max Planck Institute for Biophysical Chemistry à Gttingen, en Allemagne, a stupéfié ses auditeurs en apprenant que de minuscules fragments d'ARN double brin ont rapidement, facilement et spécifiquement désactivé les gènes dans les cellules humaines, un rôle que les chercheurs n'avaient jamais vu jouer l'ARN auparavant.

La plupart des spectateurs étaient assis là à se dire : La science vient de changer », se souvient le biochimiste de l'Université du Michigan, David Engelke. La seule chose qui a empêché le pandémonium était qu'on nous avait déjà promis ce genre de chose auparavant. Sceptique, Engelke attend quelques mois. Ensuite, ces rapports ont commencé à affluer : eh bien, ça marche vraiment ! »

La surprise de l'ARN

Jusqu'à récemment, le rôle plutôt peu prestigieux que les biologistes attribuaient à l'ARN était celui d'un messager passif, fournissant des informations génétiques de l'ADN à la machinerie de fabrication de protéines de la cellule. Dans ce processus, le code ADN d'un gène est transcrit en une copie d'ARN, que la machinerie cellulaire traduit en une protéine. Dans l'interférence ARN, de courts morceaux d'ARN bloquent le processus en détruisant le message en cours de route. Les fragments d'ARN double brin conduisent les enzymes de coupe à l'ARN qui porte le message génétique. L'ARN messager est ensuite découpé et marqué pour destruction : le message du gène est effectivement réduit au silence.

Les biologistes savent depuis des années que les molécules d'ARN simple brin conçues pour s'apparier à un ARN messager pourraient arrêter la production de protéines, mais ce processus artificiel n'est pas fiable, même en laboratoire. La nature, cependant, régule les gènes à l'aide d'ARN, en particulier de molécules double brin.

Les premiers indices du phénomène sont apparus en 1990, mais à l'époque, les chercheurs n'avaient pas relié ce qu'ils avaient observé à l'ARN. Cette année-là, le biologiste végétal Rich Jorgensen, alors à DNA Plant Technology à Oakland, en Californie, essayait de faire des pétunias violets une nuance de violet plus foncé. Il a inséré une nouvelle copie suralimentée du gène qui contrôle la production de pigment violet. À sa grande surprise, il a obtenu des pétunias blancs. Jorgensen a reconnu l'importance de cet effet paradoxal, mais il ne pouvait pas expliquer pourquoi l'ajout de plus d'un gène avait désactivé ce gène.

L'indice suivant est venu en 1995, lorsque des généticiens de l'Université Cornell ont cloné un gène dans le ver microscopique du sol. C. elegans . Pour vérifier leur découverte, ils ont utilisé une méthode de laboratoire standard pour désactiver le gène : ils ont ajouté un seul brin d'ARN qui correspondait à l'ARN messager. Ce brin complémentaire s'est lié au messager, l'empêchant d'être traduit en protéine. De manière inattendue, un simple brin d'ARN non complémentaire qu'ils utilisaient comme contrôle expérimental et qui n'aurait rien dû faire, a également arrêté le gène.

En 1998, le biochimiste Andrew Fire, alors à la Carnegie Institution de Washington, et le généticien Craig Mello, à la faculté de médecine de l'Université du Massachusetts, ont résolu le mystère. En injectant des brins simples d'ARN complémentaires dans les vers, ils ont obtenu un effet de silence étonnamment puissant lorsque les deux brins se sont combinés. Après avoir démontré que l'ARN double brin était le véritable agent de silençage, Fire et Mello ont inventé le terme ARN interférence, et un nouveau domaine est né. Rétrospectivement, les gènes violets suralimentés de Jorgensen ont produit des ARN double brin qui ont eu le même effet sur les gènes violets natifs, les fermant essentiellement.

L'ARN double brin a semblé fournir un moyen plus stable et fiable pour fermer des gènes spécifiques que les simples brins, et les laboratoires qui étudiaient des organismes, notamment des plantes, des vers et des mouches, ont adopté avec empressement la nouvelle méthode. Cependant, l'interférence ARN n'a pas fonctionné chez les mammifères : le système immunitaire détruit les cellules qui contiennent de l'ARN double brin pour se défendre contre les virus à ARN comme ceux qui causent l'hépatite A et C. Puis vint la révélation de Tuschl et Elbashir à Banff que des segments d'ARN très courts, qu'ils ont surnommé petit ARN interférent, a fonctionné dans les cellules humaines. À ce moment-là, dit Sharp, tout le champ a décollé.

Traitement silencieux

Aujourd'hui, les enquêteurs cherchent des moyens de transformer ce nouveau rôle puissant de l'ARN en bénéfices pour les entreprises. Pratiquement toutes les sociétés pharmaceutiques utilisent déjà l'interférence ARN comme outil de découverte de médicaments. L'une des stratégies les plus populaires pour trouver de nouvelles cibles médicamenteuses consiste à éliminer ou désactiver les gènes un par un pour voir ce qui se passe. Si, par exemple, un animal malade peut être guéri en éliminant un gène particulier, la protéine de ce gène pourrait constituer une bonne cible médicamenteuse. Il s'avère que l'utilisation de petits ARN interférents peut radicalement accélérer ce processus. Au lieu de passer des mois ou des années à concevoir un knock-out, les chercheurs utilisent les ARN pour désactiver spécifiquement et rapidement un gène. Ils peuvent également observer si la désactivation de la protéine en tant que médicament provoquerait des effets secondaires. Le processus se déroule en quelques jours, au lieu d'un an, explique Christophe Echeverri, PDG de Cenix BioScience, une entreprise de biotechnologie de Dresde, en Allemagne.

Dans l'application ultime, les petits ARN interférents pourraient eux-mêmes être des médicaments : plutôt que de bloquer une protéine particulière, comme le font les médicaments standard, l'ARNi empêcherait la production de la protéine. En juin dernier, Sharp du MIT a montré que de tels ARN, ciblés sur des gènes viraux et humains clés, pouvaient arrêter l'infection par le VIH dans les cellules cultivées en laboratoire. Dans une expérience, les chercheurs ont mélangé des cellules infectées par le VIH avec de petits ARN interférents ciblés sur des gènes viraux. Les ARN ont stoppé la reproduction virale. Le groupe de Sharp a également mélangé des cellules non infectées avec de petits ARN interférents ciblés sur CD4, une protéine à la surface des cellules par laquelle le VIH pénètre. Les chercheurs ont montré que les ARN diminuaient la production de CD4. Deux jours et demi plus tard, ils ont exposé des cellules traitées à l'ARN et des cellules non traitées au VIH. Le virus a infecté quatre fois plus de cellules non traitées.

Malgré les résultats encourageants, pour le moment, les médicaments ARNi sont encore au stade de rêve, dit Sharp. Mais Sharp considérait la promesse initiale suffisamment alléchante pour cofonder avec Zamore, Tuschl et deux autres scientifiques Alnylam Pharmaceuticals à Cambridge, MA, pour développer de tels médicaments. L'entreprise était à peine lancée lorsqu'elle a obtenu 17 millions de dollars de capital-risque en juillet dernier.

Faire des médicaments ARNi, cependant, ne sera pas facile. D'une part, personne n'a trouvé de méthodes appropriées pour administrer les ARN aux humains. Il y a un problème de livraison. C'est aussi simple que cela, explique le chimiste de l'Université Harvard, Stuart Schreiber. L'acheminement des acides nucléiques vers leurs tissus cibles [est] un problème non résolu en médecine. La thérapie ARNi est essentiellement une thérapie génique, dit Schreiber, et elle sera confrontée aux mêmes problèmes - inefficacité, inefficacité et effets secondaires immunologiques - qui ont bloqué ce domaine depuis 1999, lorsque Jesse Gelsinger est décédé lors d'un essai de thérapie génique à l'Université de Pennsylvanie. Les médecins là-bas ont utilisé des virus modifiés comme véhicules de livraison, ou vecteurs, pour transporter l'ADN dans les cellules de l'adolescent. Le système immunitaire de Gelsinger a réagi massivement et fatalement.

Sharp dit que l'espoir est que les petits ARN interférents n'aient pas besoin de vecteurs pour atteindre leur cible, évitant ainsi la plupart des pièges associés à la thérapie génique basée sur l'ADN. Mais ce scénario est loin d'être certain. Pouvez-vous modifier les ARN pour les rendre plus stables [et] pour qu'ils soient absorbés plus efficacement par les cellules ? demande Sharp. Nous ne savons pas.

Donner du sens

L'histoire biomédicale récente n'aide pas à régler l'incertitude. En fait, ce n'est pas la première fois que des scientifiques tentent de fabriquer un médicament basé sur le silence de l'ARN. L'ARN ou l'ADN antisens simple brin peut également arrêter des gènes et n'a pas besoin de vecteur. À l'intérieur de la cellule, une molécule antisens trouve son ARN messager complémentaire et, comme les deux côtés d'une fermeture éclair, elles se lient étroitement, empêchant l'ARN messager de traverser la machinerie de fabrication de protéines de la cellule. Le résultat, du moins en théorie, est l'arrêt des gènes.

L'antisense, cependant, a jusqu'à présent été une déception en tant que base de nouveaux médicaments. Après plus d'une décennie de travail de développement intense, un seul médicament antisens - Vitravene d'Isis Pharmaceuticals, pour le traitement de certaines infections oculaires rares chez les patients atteints du SIDA - a obtenu l'approbation de la Food and Drug Administration. La première génération de médicaments antisens, qui a été testée au début des années 1990, se dégradait rapidement dans l'organisme, était difficile à pénétrer dans les cellules, ne parvenait souvent pas à trouver sa cible et provoquait de graves effets secondaires. Des médicaments antisens plus stables sont maintenant testés chez l'homme.

L'ARNi peut-il faire mieux que l'antisens ? Pas de sitôt, prédit Frank Bennett, vice-président de la recherche antisens chez Isis. Si vous comparez l'ARNi à la version actuelle de l'antisens, il n'y a vraiment aucun avantage, dit-il. [Petite interférence] La technologie de l'ARN en est vraiment à ses balbutiements. C'est un peu l'équivalent de l'antisens il y a 10 ans, quand nous commencions tout juste à faire des expériences sur les animaux.

Mais les personnes ARNi voient leur technologie comme fondamentalement différente de l'antisens. Le gros avantage de l'ARNi par rapport à l'antisens est que, voilà, cela fonctionne vraiment, déclare Echeverri, PDG de Cenix. L'ARNi, dit-il, est bien plus puissant et fiable que l'antisens. Les projets antisens étaient généralement considérés comme des projets suicides, dit-il. Vous pourriez passer beaucoup de temps à le faire fonctionner, et cela ne fonctionnerait jamais. Vous n'auriez rien à montrer. La plus grande puissance de l'ARNi, selon Echeverri, devrait produire de meilleures thérapies. Et parce que moins de médicament sera nécessaire pour faire taire un gène, il devrait y avoir moins d'effets secondaires.

Les gens ont été aux prises avec l'antisens, et voici une technologie qui fonctionne vraiment, convient Jon Wolff, directeur scientifique de Mirus, une société de thérapie ARN à Madison, WI. L'antisens est difficile à reproduire, mais l'ARNi est quelque chose qui fonctionne dès le départ.

Mais l'ARNi pourrait-il n'être qu'une autre technologie surfaite ? La preuve est dans le pudding, dit Echeverri. Depuis deux, trois ans, RNAi vient de prendre complètement le relais. Tout le monde s'y tourne ; dans chaque organisme, ils l'essaient. Et ce ne serait pas aussi populaire si ce n'était pas un succès.

Faire taire les doutes

Personne n'a encore essayé l'ARNi chez l'homme, mais une entreprise est proche : Ribopharma, une start-up biotechnologique de Kulmbach, en Allemagne. Plus d'un an avant que le groupe de Tuschl n'étonne la communauté scientifique avec ses nouvelles, les fondateurs de Ribopharma, les anciens professeurs de l'Université de Bayreuth Roland Kreutzer et Stefan Limmer, ont découvert que les petits ARN fonctionnaient dans les cellules de mammifères. C'est du moins ce que prétendent Kreutzer et Limmer. Ils n'ont jamais publié leurs données.

Kreutzer et Limmer ont estimé qu'il était physiquement impossible pour les très longs ARN, tels que ceux utilisés par Fire et Mello, de se lier tous à la fois à leurs ARN cibles. Seuls les segments courts colleraient. Ils ont donc essayé de faire taire les gènes des mammifères en utilisant des ARN suffisamment courts pour échapper à la réponse immunitaire fatale. C'était du jeu, dit Limmer. Et il s'est avéré que cela fonctionne vraiment. Les chercheurs déposent une demande de brevet, quittent leur poste d'enseignant et fondent en juin 2000 Ribopharma.

Les directeurs de Ribopharma prévoient de commencer des essais sur l'homme l'année prochaine, en commençant probablement par des tests de petits ARN interférents dans le traitement du mélanome malin et du cancer du pancréas. Kreutzer et Limmer affirment que leurs constructions d'ARN sont suffisamment stables pour fonctionner sans vecteur et peuvent être injectées directement dans le site d'une tumeur ou dans la circulation sanguine. L'entreprise a levé plus de 18 millions de dollars. Mais parce que Ribopharma n'a pas encore publié ses résultats, il est difficile d'évaluer ses allégations, disent d'autres chercheurs en ARN. Ils ont fait certaines choses, dit Sharp du MIT, assez gentiment… [Mais] c'est un long chemin.

Combien de temps? Les attitudes vont des assurances optimistes de Ribopharma au fort pessimisme. David Beach, président de la startup RNAi Genetica à Cambridge, MA, souligne l'odyssée de plus de dix ans d'antisens. Je ne veux pas m'asseoir et soutenir que le déploiement de l'ARNi dans un mode thérapeutique serait plus simple, dit-il.

Ce qui est beaucoup plus clair, c'est que l'ARNi oblige les biologistes à repenser le rôle de l'ARN. Au cours des dernières années, les chercheurs ont découvert des centaines de gènes qui codent pour de petites molécules d'ARN, appelées microARN, dans des organismes allant des plantes et des vers aux humains. Comme leurs petits cousins ​​ARN interférents, les microARN semblent faire taire les gènes, mais leur rôle en biologie est en grande partie inconnu. Beaucoup d'entre eux ont été très bien conservés au cours de l'évolution ; [donc] ils doivent faire quelque chose d'important, dit le biologiste du MIT David Bartel. Pendant ce temps, la prise de conscience que l'ARNi est un processus naturel et probablement fondamental chez les plantes et les animaux a contribué à en faire l'un des mystères les plus passionnants de la biologie d'aujourd'hui.

De minuscules gènes d'ARN peuvent être l'équivalent biologique de la matière noire – tout autour de nous mais échappant presque à la détection, a écrit Gary Ruvkun, un biologiste moléculaire de la Harvard Medical School, en 2001 dans le journal La science . Que font ces mystérieux gènes ? Je soupçonne que nous examinons une méthode très ancienne de contrôle de l'expression des gènes, dit Zamore.

Si les microARN sont des commutateurs qui décident si les cellules souches deviennent des neurones ou des muscles, ou si les cellules cancéreuses se développent ou meurent, alors l'interférence ARN est beaucoup plus importante qu'on ne l'imaginait il y a quelques années à peine. Nous sommes simplement tombés sur une toute nouvelle branche de la biologie moléculaire que nous ne connaissions pas auparavant, explique Engelke du Michigan.

Pour les optimistes, ces percées laissent présager le développement rapide de médicaments efficaces. Et même les chercheurs biomédicaux rendus cyniques par les allégations extravagantes de remèdes magiques pensent que l'ARNi pourrait bien être la vraie chose. L'année dernière, lorsque l'ARNi a fonctionné pour la première fois dans des cellules humaines, tout le monde s'est réveillé et a dit : je me demande si c'est la solution miracle ? », explique Engelke. Et c'est peut-être le cas. Ça pourrait être.

Entreprises développant des interférences ARN ENTREPRISE PRIMAIRE RNAi FOCUS Produits pharmaceutiques alnylam
(Cambridge, MA)
Thérapeutique Benitec
(Brisbane, Australie)
Propriété intellectuelle pour la génomique et la thérapeutique Cenix BioScience
(Dresde, Allemagne)
Identification de cibles médicamenteuses et thérapies contre le cancer Devgen
(Gand, Belgique) Identification de cibles médicamenteuses et thérapies pour le diabète, la dépression et la maladie de Parkinson La génétique
(Cambridge, MA)
Identification de cibles médicamenteuses pour le cancer Mirus
(Madison, WI)
Thérapeutique, utilisant de longs ARN double brin ribopharma
(Kulmbach, Allemagne) Thérapeutique du cancer et de l'hépatite C

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