Launching a New Era in Mitochondrial Gene Editing

From his early days studying science to decades of dedicated research in mitochondrial DNA and gene therapy, Dr. Carlos T. Moraes has made an indelible mark in his field.

After studying biomedicine and molecular biology in São Paulo, Brazil, where he was born and raised, a young Carlos jumped at an opportunity to connect with an esteemed neurologist, an expert in neuromuscular diseases including mitochondrial disease, in New York. Shortly after arriving and completing a stint of training with the neurologist, he decided to pursue a PhD at New York City’s Columbia University.

“This was back in the late ’80s and early ’90s, and it was a pretty exciting time,” says Dr. Moraes. “Mutations in mitochondrial DNA (mtDNA) were just being reported for the first time. The neurologist I was studying under (Dr. Salvatore DiMauro) had many muscle biopsies that we could analyze, and one of the first things we did was correlate certain mutations with certain disease phenotypes. One paper we published early on was about how large deletions in mtDNA were almost always found in patients who have Kearns-Sayre syndrome, a rare neuromuscular disorder.”

As more mutations were reported, the field of mitochondrial genetics exploded. Dr. Moraes completed his studies in New York and took a research facility position at the University of Miami in 1994, where he remains a prominent professor in the Department of Neurology at the Miller School of Medicine. “I continued to study mtDNA problems, not only in disease but also in aging,” he says, “with mtDNA always being at the core of it.”

Parfois, c’est le hasard qui permet d’emprunter les chemins les plus significatifs. « J’ai commencé à travailler sur les maladies mitochondriales par pur hasard, mais plus j’y travaillais, plus j’en tombais amoureux », explique le Dr Moraes. « La mitochondrie est comme une batterie à l’intérieur de la cellule, et elle possède son propre ADN. C’est le seul organite, en dehors du noyau, à en avoir un. C’est un système fascinant, et c’est pourquoi j’y ai consacré ma carrière ».

Le Dr Moraes était également animé par le désir d’aider les patients atteints d’une maladie mitochondriale. « Je ne suis pas médecin, mais très tôt, j’ai été touché par l’absence de traitement pour ces patients », explique-t-il. « C’est ce qui m’a poussé à travailler de plus en plus en vue d’une thérapie.

Poursuivant leurs recherches, le Dr Moraes et ses collègues ont découvert qu’une mutation génétique spécifique, habituellement responsable de l’encéphalomyopathie mitochondriale avec acidose lactique et épisodes de type accident vasculaire cérébral (MELAS), était également à l’origine d’une variété de manifestations. « Cette mutation est l’une des mutations de l’ADNmt les plus courantes dans la population de patients », explique-t-il. « En 1993, nous avons publié des travaux de recherche montrant que les patients porteurs de cette mutation pouvaient présenter de nombreux types de maladies et de symptômes différents, et que ces symptômes étaient regroupés au sein de familles, ce qui suggère que l’ADN nucléaire joue un rôle dans la modification de la façon dont la mutation de l’ADNmt se manifeste.

S’appuyant sur ces recherches, le Dr Moraes a mené une expérience de compatibilité évolutive. « Nous avons prélevé de l’ADNmt sur différents types de primates et l’avons introduit dans des cellules contenant de l’ADN nucléaire humain pour voir si elles pouvaient produire de l’énergie », explique-t-il. « Le seul ADNmt qui pouvait coexister avec des noyaux humains était celui des chimpanzés et des gorilles. Même l’ADNmt d’un orang-outan ne fonctionnerait pas. « Ils ont évolué ensemble avec suffisamment de différences pour ne pas pouvoir fonctionner ensemble », explique le Dr Moraes. L’expérience a montré à quel point l’ADNmt et l’ADN nucléaire doivent travailler ensemble et comment cette relation a été façonnée par des millions d’années d’évolution.

Au cours des deux dernières décennies, les recherches du Dr Moraes se sont de plus en plus concentrées sur la thérapie génique et sur les techniques pionnières d’édition de gènes de l’ADNmt. « L’une des choses pour lesquelles je suis connu est l’utilisation d’enzymes qui coupent l’ADNmt comme forme de thérapie », explique-t-il. « Au laboratoire, nous utilisons des enzymes appelées enzymes de restriction. Elles reconnaissent une courte séquence de l’ADNmt et la coupent. Elles sont très spécifiques. Elles ne coupent que cette séquence. C’était au début des années 2000.

D’autres recherches et le génie génétique ont démontré que lorsque l’ADNmt mutant était ciblé et coupé, l’ADNmt sain restant prenait le relais. « Nous avons montré qu’une fois l’ADNmt coupé, il est très rapidement dégradé et que ce qui reste se réplique pour compenser la perte », explique le Dr Moraes.

Les enzymes de restriction étaient toutefois limitées. Bien qu’elles soient capables de couper l’ADNmt mutant, « il n’y a pas beaucoup de mutations pathologiques qui créent des sites de restriction pour ces enzymes », explique le Dr Moraes. « Nous nous sommes toujours dit que si seulement il existait une enzyme capable de reconnaître non seulement de petites séquences, mais aussi des séquences plus importantes, il serait possible de trouver un moyen de couper l’ADNmt mutant. Si seulement il existait un moyen de contrôler cette enzyme ». Ils avaient besoin de quelque chose de programmable.

« Nos rêves sont devenus réalité vers 2010, lorsque les enzymes d’édition de gènes ont été décrites pour la première fois », explique le Dr Moraes. « Elles pouvaient être conçues pour reconnaître des séquences longues et spécifiques et, plus important encore, vous pouviez concevoir le type de séquence que vous vouliez qu’elles reconnaissent.

Ces nouveaux éditeurs de gènes à base de protéines ont changé la donne, permettant aux scientifiques de cibler presque n’importe quelle séquence d’ADN. « Cette avancée majeure nous a permis d’éliminer l’ADNmt mutant de manière très spécifique », explique le Dr Moraes. « Une fois encore, lorsque l’ADNmt mutant était coupé, l’ADNmt normal qui restait se répliquait pour compenser le manque de quantité d’ADNmt. La cellule s’en trouverait modifiée, se comportant mieux et produisant plus d’énergie. »

Ensuite, le Dr Moraes et son équipe ont commencé à collaborer avec Precision BioSciences, une société qui avait mis au point de nouvelles enzymes d’édition de gènes appelées ARCUS et mitoARCUS. Ces enzymes étaient plus petites et plus faciles à introduire dans la cellule. « Nous continuons à collaborer jusqu’à aujourd’hui », explique le Dr Moraes, « Ils essaient maintenant de réaliser un essai clinique sur le mitoARCUS qui est spécifique à la mutation généralement associée au syndrome MELAS, mais également associée à l’intolérance à l’exercice et à d’autres symptômes tels que la perte d’audition, le diabète et les migraines ».

En 2020, les chercheurs ont découvert les éditeurs de bases mitochondriales, qui peuvent modifier une seule lettre de l’ADNmt sans la couper. « On les appelle éditeurs de base parce qu’ils modifient l’ADN », explique le Dr Moraes. « Un éditeur de base qui travaille dans l’ADNmt a pu remplacer un C par un T dans le code de l’ADN. C’était très limité, mais c’était un premier pas. Pour la première fois, nous pouvions modifier l’ADNmt sans avoir à le couper ».

S’appuyant sur cette recherche, le Dr Moraes et son laboratoire ont utilisé l’un des éditeurs de base pour rétablir la fonction mitochondriale dans un modèle de souris. « Nous avons trouvé un moyen d’éditer la base d’un gène présentant une mutation pathogène de manière à ce qu’il devienne stable, améliorant ainsi la fonction de production d’énergie des mitochondries dans le modèle de souris », explique-t-il.

Ceux qui connaissent la technologie d’édition de gènes CRISPR peuvent se demander pourquoi elle ne fait pas partie de l’histoire ici. « On me demande toujours pourquoi nous ne pouvons pas utiliser CRISPR pour couper ou modifier l’ADNmt », explique le Dr Moraes. « CRISPR a besoin d’un ARN guide, et nous ne savons pas comment faire passer l’ARN dans les mitochondries.

Bien que la thérapie génique nucléaire et l’édition de l’ADNmt aient toutes deux beaucoup progressé, le Dr Moraes note que la principale limite est la difficulté d’introduire les outils d’édition de gènes dans les cellules qui en ont besoin. Les progrès se poursuivent, mais les scientifiques continuent de mettre au point de nouvelles stratégies pour surmonter ces difficultés d’acheminement.

« Si vous réduisez l’ADNmt mutant en dessous d’un certain seuil qui rend le patient malade, vous guérissez essentiellement la maladie », explique le Dr Moraes. « Il s’agit donc d’un traitement potentiellement curatif.

Il souligne également le potentiel intéressant d’une solution unique. « Si vous réduisez suffisamment l’ADNmt mutant, vous n’aurez probablement pas à recommencer », dit-il. Cela contraste avec les thérapies géniques nucléaires, telles que celles utilisées pour la dystrophie musculaire de Duchenne, par exemple, où l’effet du traitement peut diminuer avec le temps et où il est difficile de répéter les doses.

Le Dr Moraes aime travailler avec les étudiants, les stagiaires et les techniciens, et décrit son travail comme passionnant et gratifiant. « J’aime tout ce qui touche à ce domaine », déclare-t-il. « Et il va sans dire que si nous pouvons trouver quelque chose qui peut aider les patients, c’est la première des récompenses que nous recherchons.

La motivation pour continuer à développer ces thérapies et à trouver des traitements ou un remède est forte. Le Dr Moraes encourage les prochaines générations de chercheurs à avoir la peau dure et à faire preuve de ténacité. « Nous devons continuer à aller de l’avant », déclare-t-il. « Il y a beaucoup d’échecs dans ce domaine, mais un échec n’est pas un échec total si vous comprenez pourquoi l’expérience n’a pas fonctionné. Cela vous apprend toujours quelque chose.

Le domaine de la thérapie génique étant en pleine expansion, le Dr Moraes est extrêmement optimiste quant à l’avenir, car il s’attend à ce qu’une percée majeure en matière de thérapie génique soit « juste au coin de la rue ».

Il est heureux de partager ses recherches avec la communauté Mito. « Il est très important que la science ne vive pas en vase clos, isolée de la communauté qu’elle tente d’aider », explique-t-il. « La communauté Mito a besoin d’informations et de nous aider à poursuivre notre travail. La recherche est une activité très coûteuse, malheureusement, et elle ne peut se faire sans financement. Nous avons besoin que les patients, les familles et les scientifiques travaillent ensemble pour que le domaine continue d’avancer.