Édition du génome CRISPR-Cas9 d’embryons de rats à l’aide d’un virus adéno-associé (AAV) et d’une électroporation d’embryons à 2 cellules

Le développement d’outils d’édition du génome basés sur CRISPR a accéléré notre capacité à générer efficacement de nouveaux modèles de rats génétiquement modifiés plus sophistiqués. L’ARN guide unique, ainsi que la nucléase Cas9, sont combinés pour former des complexes ribonucléoprotéiques (RNP) qui ciblent les séquences d’ADN d’intérêt dans le génome et entraînent des cassures d’ADN double brin. Étant donné que les mécanismes de réparation de l’ADN cellulaire sont sujets aux erreurs, des insertions et des délétions (INDEL) sont introduites au cours du processus de réparation, ce qui peut perturber la fonction d’un gène cible. Lorsqu’il y a co-livraison d’une séquence d’ADN modifiée souhaitée (matrice de réparation) avec des réactifs d’édition du génome, l’insertion de la matrice de réparation dans la région contenant la cassure de l’ADN double brin se produit par un processus appelé réparation dirigée par homologie (HDR). Il s’agit d’une stratégie efficace pour générer des modèles animaux avec des insertions/substitutions d’ADN ciblées (knock-ins). L’une des limites est que les séquences knock-in sont souvent de grande taille, ce qui réduit l’efficacité de l’édition de gènes, ce qui rend la génération du modèle souhaité plus difficile¹. Les stratégies visant à accroître l’efficacité de la frappe ont inclus la linéarisation des modèles de réparation de l’ADN double brin (ADNdb) et de l’ADN simple brin (ADNss) et la modification chimique des modèles de réparation de l’ADN ^2,3,4. De plus, la micro-injection pronucléaire avec des composés stimulant le HDR, l’application d’impulsions électriques en conjonction avec la micro-injection et la micro-injection chronométrée dans des embryons à 2 cellules ont toutes été tentées ^5,6,7. Malgré le succès de certaines de ces approches, l’incorporation de séquences d’ADN de plus de 1,0 kb reste techniquement difficile.

L’électroporation, qui est une méthode courante d’introduction de réactifs dans les lignées cellulaires en culture, offre une alternative à la micro-injection pour délivrer des composants CRISPR-Cas9 dans les embryons. L’électroporation embryonnaire, démontrée pour la première fois chez des embryons de rat⁸, a depuis été utilisée avec succès comme méthode d’administration chez les souris 9,10,11,12,13, les porcs ^14,15 et d’autres organismes modèles animaux 16,17,18. Les embryons, en suspension dans le milieu contenant les réactifs CRISPR-Cas9, sont placés dans une cuvette ou sur une lame de verre entre deux électrodes et soumis à des impulsions directes de courants électriques. Cela crée des ouvertures transitoires dans la zone pellucide et la membrane plasmique de l’embryon à travers lesquelles les composants CRISPR-Cas9 pénètrent dans les embryons. En règle générale, des impulsions électriques de niveau intermédiaire sont utilisées pour créer les ouvertures temporaires, suivies d’impulsions de transfert électriques de niveau inférieur qui facilitent le mouvement des composants d’édition du génome chargés négativement. L’électroporation des embryons est efficace, a un débit élevé et est facile à réaliser. Cependant, alors que l’électroporation embryonnaire s’est avérée très efficace pour l’introduction de modèles de réparation d’ADNss de petite taille (^<200 pb), il existe peu de rapports d’électroporation réussie de modèles de réparation plus grands (^>1,0 kb)^13,19. Cette restriction de taille représente une limitation majeure de l’électroporation embryonnaire pour la génération de modèles animaux knock-in nécessitant de grandes insertions.

Dans le contexte de la thérapie génique, les virus adéno-associés (AAV) ont longtemps été utilisés comme véhicules pour délivrer du matériel génétique en raison de leur infectiosité in vivo efficace des cellules en division et non en division, de leur manque de pathogénicité et de leur intégration génomique rare^20,21. Récemment, d’autres études ont combiné les AAV avec la technologie CRISPR-Cas9 pour introduire des modèles de réparation de l’ADN et des réactifs CRISPR 22,23,24. Cette approche permet de fournir des modèles de réparation de l’ADN plus grands sans avoir besoin de techniques de micro-injection.

La voie HDR est plus active dans les phases tardives S et G2 du cycle cellulaire^25,26. Dans les études réalisées in vitro, des augmentations significatives de l’efficacité de knock-in ont été obtenues par l’administration de RNP CRISPR-Cas9 et de matrices de réparation de l’ADN dans des cellules synchronisées G2 ou par la restriction de la présence de la protéine Cas9 aux phases tardives S et G2 à l’aide d’une protéine de fusion Cas9-Géminine². De plus, il y a un événement majeur d’activation du génome zygotique (ZGA) qui se produit pendant la phase G2 prolongée de l’embryon au stade 2 cellules, et cela est associé à un état de chromatine ouvert. On suppose que cela donne aux RNP CRISPR-Cas9 et aux modèles de réparation une plus grande accessibilité à l’ADN génomique.

Notre objectif était de nous appuyer sur toutes ces observations, en combinant l’approche AAV avec l’électroporation de l’embryon pour introduire les RNP CRISPR-Cas9 au stade 2 cellules du développement embryonnaire. Cette stratégie tire parti de la plus grande capacité d’administration de la matrice de réparation de l’ADN de l’AAV, de la facilité technique de l’électroporation et du point de temps plus optimal à 2 cellules pour l’accessibilité génomique pendant le développement de l’embryon afin de créer une méthode efficace pour le génie génétique ciblé des insertions d’ADN. Comme le souligne ce protocole, notre méthode optimisée permet de produire des modèles ciblés de rats knock-in portant des insertions de séquences d’ADN d’une taille de 1,2 à 3,0 kb sans avoir besoin de techniques de micro-injection.