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Les cellules souches pluripotentes humaines (CSPh) représentent une source illimitée de cellules somatiques pour la recherche ou la clinique1. Le ciblage génique dans les CSPh offre une méthode puissante pour étudier la fonction des gènes lors de la spécification cellulaire et pour comprendre les mécanismes de la maladie. Bien qu’il existe des méthodes efficaces d’édition du génome, la modification des gènes dans les CSPh reste techniquement difficile. Le ciblage génique standard par recombinaison homologue dans les CSPh se produit à basse fréquence voire est indétectable au niveau de certains gènes 2, et le ciblage génique stimulé par la cassure double brin de l’ADN (DSB) (appelé édition génique) est donc nécessaire dans ces cellules 2,3. De plus, la transfection des CSPh et le clonage ultérieur d’une seule cellule ne sont pas très efficaces, même si l’apoptose associée à une seule cellule peut être réduite grâce à l’utilisation de l’inhibiteur de la protéine kinase associée à Rho (ROCK)4. Enfin, les mutations potentielles sur cible et hors cible au gène d’intérêt peuvent également être problématiques. Par conséquent, un protocole fiable est essentiel pour apporter des changements génétiques adaptés aux CSPh.
La technologie CRISPR (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats) guidée par ARN et la protéine 9 associée à CRISPR (Cas9) est maintenant un outil bien établi dans l’édition de gènes. L’ARN CRISPR transcrit (ARNcr) et un ARN trans-activateur (ARNtracr) forment l’ARN guide unique (ARNsg), qui se complexe avec la protéine Cas9 permettant un clivage spécifiquedu gène 5. Le système CRISPR / Cas9 est programmable, en changeant une séquence guide de 20 pb de l’ARNg, ce qui signifie que presque tous les locus qui remplissent l’exigence de motif adjacent protospacer (PAM) peuvent être modifiés. Cependant, le type sauvage Cas9 peut tolérer certaines incompatibilités entre sa séquence guide et une cible ADN, ce qui pourrait provoquer des effets indésirables hors cible. Pour améliorer sa spécificité, un mutant nickase (Cas9n) a été développé. Un Cas9n contenant une mutation D10A ou N863A ne possède qu’un seul domaine nucléase fonctionnel et, par conséquent, ne peut entailler l’ADN que sur un seul brin. Une paire de Cas9n correctement espacée et orientée peut induire efficacement l’ADN DSB et les effets hors cible sont considérablement réduits6. Pour assurer une modification efficace de Cas9n, il a été démontré que deux Cas9n-sgRNA devraient idéalement être placés avec un décalage de -4 à 20 pb et toujours créer un surplomb de 5'6.
Le DSB induit par Cas9(n)-sgRNA peut être utilisé pour l’édition du génome dans les CSPh 7,8. Il peut créer un knockout de gène via une réparation non homologue de jointure d’extrémité, ou introduire une modification génétique par réparation dirigée par homologie (HDR) si un modèle d’ADN de donneur est présent. Le protocole décrit ici utilise un plasmide donneur (ou vecteur de ciblage) basé sur le transposon piggyBac pour HDR, dans lequel un marqueur de résistance aux médicaments est flanqué des répétitions inversées du transposon. L’avantage de cette approche comprend un criblage efficace et une édition transparente des gènes, comme l’ont démontré pour la première fois Yusa et al.9,10. La cassette de sélection de médicaments permet d’enrichir les cellules avec le vecteur intégré, qui sont ensuite criblées par PCR à jonction pour identifier celles dérivées par HDR. En outre, la cassette de sélection de médicaments peut être positionnée pour remplacer les séquences cibles pour le clivage Cas9 (n), de sorte qu’aucune autre rupture de l’ADN ne se produit après HDR, éliminant ainsi les mutations « sur » de la cible résultant du reclivage de Cas9 (n). De plus, en exploitant l’excision précise catalysée par la transposase piggyBac, le marqueur de sélection est ensuite excisé du génome sans laisser de cicatrice. Seule la séquence endogène originale de TTAA pour l’insertion de piggyBac reste après le retrait du marqueur de sélection du médicament9. Même si les sites TTAA doivent être créés en introduisant des substitutions, les risques de perturber les éléments réglementaires sont réduits par rapport à d’autres méthodes10.
Nous décrivons ici des procédures détaillées pour la mise en œuvre de l’édition transparente du génome dans les CSPh. En combinant un plasmide donneur à base de piggyBac et le mutant nickase CRISPR-Cas9 dans une sélection génétique en deux étapes, nous avons introduit deux mutations ponctuelles prédéterminées dans le gène11 du facteur nucléaire 4 alpha (HNF4α) des hépatocytes. Cette approche est fiable et efficace, et a permis des analyses approfondies des rôles importants joués par HNF4α dans la spécification de l’endoderme et des hépatocytes à partir de cellules souches pluripotentes humaines11.