Lorsque les gens entendent parler de toxine botulique, ils pensent souvent à deux choses : un produit cosmétique qui fait disparaître les rides du lion ou un poison mortel.

Mais le « poison miracle », comme on l'appelle également, a été approuvé par la FDA pour traiter une série de maladies telles que les migraines chroniques, les clignements incontrôlés et certains spasmes musculaires. Et maintenant, une équipe de chercheurs de l’Université Harvard et du Broad Institute ont, pour la première fois, prouvé qu’ils pouvaient rapidement faire évoluer la toxine en laboratoire pour cibler une variété de protéines différentes, créant ainsi une suite de protéines super-sélectives sur mesure appelées des protéases susceptibles de contribuer à la neurorégénération, de réguler les hormones de croissance, de calmer une inflammation généralisée ou d'atténuer la réponse immunitaire potentiellement mortelle appelée tempête de cytokines.

"En théorie, il existe un plafond très élevé quant au nombre et au type de conditions dans lesquelles vous pouvez intervenir", a déclaré Travis Blum, chercheur postdoctoral au Département de chimie et de biologie chimique et premier auteur de l'étude publiée dans Sciences. L'étude était le point culminant d'une collaboration avec Min Dong, professeur agrégé à la Harvard Medical School, et David Liu, professeur de sciences naturelles Thomas Dudley Cabot, chercheur au Howard Hughes Medical Institute et membre principal du corps professoral du Broad. Institut.

Ensemble, l'équipe a réalisé deux premières : elle a réussi à reprogrammer des protéases – des enzymes qui coupent les protéines pour les activer ou les désactiver – pour couper des cibles protéiques entièrement nouvelles, même certaines ayant peu ou pas de similitude avec les cibles natives des protéases de départ, et simultanément éviter d’engager leurs cibles initiales. Ils ont également commencé à s’attaquer à ce que Blum appelle un « défi classique en biologie » : concevoir des traitements capables de pénétrer dans une cellule. Contrairement à la plupart des grosses protéines, les protéases de la toxine botulique peuvent pénétrer dans les neurones en grand nombre, ce qui leur confère une portée plus large, ce qui les rend d'autant plus attrayantes en tant que thérapies potentielles.

Désormais, la technologie de l'équipe peut faire évoluer des protéases personnalisées avec des instructions sur mesure concernant les protéines à couper. "Une telle capacité pourrait rendre possible l'édition du protéome", a déclaré Liu, "d'une manière qui complète le développement récent de technologies pour éditer le génome."

Les technologies actuelles d’édition de gènes ciblent souvent des maladies chroniques comme l’anémie falciforme, causées par une erreur génétique sous-jacente. Corrigez l'erreur et les symptômes s'estompent. Mais certaines maladies aiguës, comme les lésions neurologiques consécutives à un accident vasculaire cérébral, ne sont pas causées par une erreur génétique. C'est là qu'interviennent les thérapies à base de protéases : les protéines peuvent aider à renforcer la capacité du corps à guérir des lésions nerveuses, par exemple, grâce à un traitement temporaire, voire ponctuel.

Les scientifiques souhaitent utiliser les protéases pour traiter les maladies depuis des décennies. Contrairement aux anticorps, qui ne peuvent attaquer que des substances étrangères spécifiques dans l’organisme, les protéases peuvent trouver et s’attacher à un nombre illimité de protéines et, une fois liées, elles peuvent faire plus que simplement détruire leur cible. Ils pourraient par exemple réactiver des protéines dormantes.

"Malgré ces caractéristiques importantes, les protéases n'ont pas été largement adoptées comme thérapies humaines", a déclaré Liu, "principalement en raison du manque de technologie pour générer des protéases qui clivent les cibles protéiques de notre choix."

Mais Liu a un atout technologique dans sa poche : PACE (qui signifie évolution continue assistée par phage). Invention du laboratoire Liu, la plateforme fait évoluer rapidement de nouvelles protéines dotées de fonctionnalités précieuses. PACE, a déclaré Liu, peut faire évoluer des dizaines de générations de protéines par jour avec une intervention humaine minimale. En utilisant PACE, l’équipe a d’abord appris aux protéases dites « de promiscuité » – celles qui ciblent naturellement un large éventail de protéines – à cesser de couper certaines cibles et à devenir beaucoup plus sélectives. Lorsque cela a fonctionné, ils sont passés au plus grand défi : apprendre à une protéase à reconnaître uniquement une cible entièrement nouvelle, en dehors de sa timonerie naturelle.

"Au début", a déclaré Blum, "nous ne savions pas s'il était même possible de prendre cette classe unique de protéases et de les faire évoluer ou de leur apprendre à cliver quelque chose de nouveau, car cela n'avait jamais été fait auparavant." («C'était un coup de pouce au départ», a déclaré Michael Packer, ancien membre du laboratoire Liu et auteur de l'article). Mais les protéases ont dépassé les attentes de l'équipe. Avec PACE, ils ont développé quatre protéases issues de trois familles de toxine botulique ; tous les quatre n'ont détecté aucune activité sur leurs cibles d'origine et ont coupé leurs nouvelles cibles avec un niveau de spécificité élevé (allant de 218 à plus de 11,000,000 XNUMX XNUMX fois). Les protéases ont également conservé leur précieuse capacité à pénétrer dans les cellules. "Vous obtenez un outil puissant pour effectuer une thérapie intracellulaire", a déclaré Blum. "En théorie."

« En théorie » car, même si ces travaux fournissent une base solide pour la génération rapide de nombreuses nouvelles protéases dotées de nouvelles capacités, il reste encore beaucoup à faire avant que de telles protéases puissent être utilisées pour traiter les humains. Il existe également d'autres limites : les protéines ne sont pas idéales pour le traitement des maladies chroniques car, avec le temps, le système immunitaire de l'organisme les reconnaîtra comme des substances étrangères, les attaquera et les désamorcera. Bien que la toxine botulique dure plus longtemps que la plupart des protéines dans les cellules (jusqu'à trois mois, contre un cycle de vie typique de quelques heures ou jours), les protéines évoluées de l'équipe pourraient avoir une durée de vie plus courte, ce qui pourrait diminuer leur efficacité.

Néanmoins, étant donné que le système immunitaire met du temps à identifier les substances étrangères, les protéases pourraient être efficaces pour des traitements temporaires. Et pour contourner la réponse immunitaire, l’équipe cherche également à développer d’autres classes de protéases de mammifères, car le corps humain est moins susceptible d’attaquer des protéines qui ressemblent aux leurs. Parce que leurs travaux sur les protéases de la toxine botulique se sont avérés si fructueux, l'équipe prévoit de continuer à les bricoler également, ce qui signifie poursuivre leur collaboration fructueuse avec Min Dong, qui a non seulement l'autorisation requise des Centers for Disease Control (CDC) pour travaillent avec la toxine botulique mais fournissent une perspective critique sur les applications médicales potentielles et les cibles des protéases.

"Nous essayons toujours de comprendre les limites du système, mais dans un monde idéal", a déclaré Blum, "nous pourrions envisager d'utiliser ces toxines pour diviser théoriquement toute protéine d'intérêt." Il leur suffit de choisir les protéines à rechercher ensuite.

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