L’étude et les modulations des réponses cellulaires via des circuits génétiques modifiés contrôlables sont des objectifs majeurs en biologie synthétique 1,2,3 pour le développement d’outils prospectifs ayant des applications biologiques ou médicales pertinentes dans le cancer 4, les infections5, les maladies métaboliques6 et l’immunologie7.
La reprogrammation des fonctions cellulaires en réponse à des signaux spécifiques nécessite la conception d’interfaces intelligentes qui relient la détection des changements dynamiques extracellulaires ou intracellulaires (entrées) au traitement en aval, déclenchant des sorties spécifiques soit à des fins de diagnostic (c’est-à-dire les gènes rapporteurs), soit pour recâbler la réponse cellulaire (thérapeutiques). Les entrées détectées par le module de détection peuvent être de petits analytes8, des protéines 9,10,11 ou des microARN 11,12,13, spécifiques de l’apparition ou de la progression d’une maladie. De plus, la régulation de circuits complexes peut être réalisée par le traitement de plusieurs informations d’entrée, augmentant le contrôle étroit de l’expression des transgènes en réponse aux conditions définies 14,15,16. Par exemple, les capteurs basés sur les microARN peuvent identifier des types de cellules spécifiques, tels que les cellules cancéreuses, induisant leur clairance avec l’expression d’un gène apoptotique13. Étant donné que les microARN sont facilement implémentables dans des circuits synthétiques de manière modulaire, ils représentent une entrée largement utilisée pour les biocapteurs génétiquement codés 12,13,17. Les protéines sont également un biomarqueur valide pour les mutations génétiques, le cancer et les infections, et en effet, un certain nombre de dispositifs de détection des protéines extracellulaires ont été signalés18,19.
De nombreux circuits qui détectent les protéines extracellulaires reposent sur l’utilisation de récepteurs modifiés, qui attachent un facteur de transcription (TF) à la membrane, fusionné à un site de clivage sensible au TEVp (TCS). Un avantage majeur de la TEVp est la spécificité du clivage et l’absence d’interférence avec le traitement des protéines endogènes. Dans ces systèmes, la TEVp est fusionnée à un deuxième peptide qui interagit avec le récepteur modifié lors de la liaison des molécules extracellulaires. Ainsi, les entrées externes induisent un clivage médié par TEVp et une libération de TF. Les systèmes qui fonctionnent avec ce mécanisme sont Tango/TEVp18, induit par la lumière20 et Modular Extracellular Sensor Architecture (MESA)19. Malgré les progrès réalisés dans la détection des protéines extracellulaires, la technologie de détection des protéines intracellulaires de manière modulaire n’a jamais été réalisée auparavant, avec la limitation de passer par de nombreuses itérations de construction et de test pour des dispositifs uniques répondant à une protéine spécifique.
Notre système est la première plateforme de détection de protéines intracellulaires21. La modularité est garantie par l’utilisation d’intracorps qui définissent la spécificité à la cible, tandis que la reprogrammation cellulaire est médiée par TEVp. Plus précisément, un intracorps est lié à une membrane et fusionné à l’extrémité C-terminale à une protéine fluorescente mKate, à un TCS et à un TF (protéine de fusion 1) ; le deuxième intracorps est fusionné au TEVp et situé dans le cytosol (protéine de fusion 2) (Figure 1).
Ainsi, l’interaction entre deux intracorps et la protéine cible se produit dans le cytoplasme et conduit au clivage des TCS par TEVp, entraînant la translocation du TF dans le noyau pour activer la sortie fonctionnelle. Le dispositif de détection et d’actionnement a été testé avec succès pour quatre protéines spécifiques de la maladie intracellulaire : la protéase sérine NS3 exprimée par le virus du VHC22, les protéines Tat et Nef de l’infection par le VIH23,24 et la huntingtine mutée (HTT) de la maladie de Huntington25. L’expression de sortie comprend les rapporteurs fluorescents, le gène apoptotique (hBax)26 et les immunomodulateurs (XCL-1)27. Nous démontrons que le système peut également altérer le fonctionnement pathologique de ses cibles. Par exemple, le dispositif sensible à Nef interfère avec la propagation de l’infection virale en séquestrant la protéine cible et en inversant la modulation négative du récepteur HLA-I sur les cellules T infectées24. La plate-forme de détection-actionnement décrite est la première de ce type pour la détection de protéines intracellulaires et peut potentiellement être mise en œuvre pour détecter l’expression anormale de protéines, les modifications post-traductionnelles ou épigénétiques, à des fins diagnostiques et thérapeutiques20.