Les nucléases programmables et site-spécifiques comme CRISPR-Cas9 sont des signes avant-coureurs d’une nouvelle révolution en génie génétique et portent en germe un espoir de modification radicale de la santé humaine. Le « multiplexing » ou la capacité d’introduire plusieurs modifications simultanées dans le génome sera particulièrement utile en recherche tant fondamentale qu’appliquée. Ce nouvel outil sera susceptible de sonder les fonctions physiopathologiques de circuits génétiques complexes et de développer de meilleures thérapies cellulaires ou traitements antiviraux. En repoussant les limites du génie génétique, il sera possible d’envisager la réécriture et la conception de génomes mammifères. Le développement de notre capacité à modifier profondément le génome pourrait permettre la création de cellules résistantes aux cancers, aux virus ou même au vieillissement ; le développement de cellules ou tissus transplantables compatibles entre donneurs et receveurs ; et pourrait même rendre possible la résurrection d’espèces animales éteintes. Dans ce projet de recherche doctoral, nous présentons l’état de l’art du génie génétique « multiplex », les limites actuelles et les perspectives d’améliorations. Nous tirons profit de ces connaissances ainsi que de l’abondance des éléments transposables de notre ADN afin de construire une plateforme d’optimisation et de développement de nouveaux outils de génie génétique qui autorisent l’édition génomique à grande échelle. Nous démontrons que ces technologies permettent la production de modifications à l’échelle du génome allant jusqu’à 3 ordres de grandeur supplémentaires que précédemment, ouvrant la voie au développement de la réécriture des génomes de mammifères. En outre, l’observation de la toxicité engendrée par la multitude de coupures double-brins dans le génome nous a amenés à développer un bio-interrupteur susceptible d’éviter les effets secondaires des thérapies cellulaires actuelles ou futures. Enfin, en conclusion, nous exposons les potentielles inquiétudes et menaces qu’apporte le domaine génie génétiques et apportons des pistes de réflexions pour diminuer les risques identifiés. / Programmable and site-specific nucleases such as CRISPR-Cas9 have started a genome editing revolution, holding hopes to transform human health. Multiplexing or the ability to simultaneously introduce many distinct modifications in the genome will be required for basic and applied research. It will help to probe the physio-pathological functions of complex genetic circuits and to develop improved cell therapies or anti-viral treatments. By pushing the boundaries of genome engineering, we may reach a point where writing whole mammalian genomes will be possible. Such a feat may lead to the generation of virus-, cancer- or aging- free cell lines, universal donor cell therapies or may even open the way to de-extinction. In this doctoral research project, I outline the current state-of-the-art of multiplexed genome editing, the current limits and where such technologies could be headed in the future. We leveraged this knowledge as well as the abundant transposable elements present in our DNA to build an optimization pipeline and develop a new set of tools that enable large-scale genome editing. We achieved a high level of genome modifications up to three orders of magnitude greater than previously recorded, therefore paving the way to mammalian genome writing. In addition, through the observation of the cytotoxicity generated by multiple double-strand breaks within the genome, we developed a bio-safety switch that could potentially prevent the adverse effects of current and future cell therapies. Finally, I lay out the potential concerns and threats that such an advance in genome editing technology may be bringing and point out possible solutions to mitigate the risks.

Somatische Mutationen sind eine Hauptursache für die Entstehung von Krebs. Allerdings tragen nicht alle Mutationen gleichermaßen zur Tumorentstehung bei. Ein wichtiges Ziel der personalisierten Medizin ist es daher, die für das Wachstum und Überleben des Tumors wesentlichen (sogenannte „Treiber“-Mutationen) von den zahlreichen biologisch neutralen Mutationen (sogenannte „Passagier“-Mutationen) zu unterscheiden. In der vorliegenden Studie etablierte ich einen CRISPR-basierten, genetischen Screen mit dessen Hilfe die funktionelle Rolle von Mutationen bei Krebs untersucht werden kann. Ich konnte nachweißen, dass diese mutationsselektive Strategie geeignet ist, um neue Krebstreibermutationen in der Kolorektalkarzinom- Zelllinie RKO zu identifizieren. Dazu verwendete ich 100 unterschiedliche sgRNAs, welche jeweils eine Krebsmutationssequenz spezifisch schneiden während die Wildtyp-Sequenz nicht verändert wird. Als Kontrolle nutzte ich die Kolorektalkarzinom- Zelllinie HCT116, welche die Zielmutationen nicht trägt. Interessanterweise ergab die Datenanalyse, dass zwei sgRNAs, welche die gleiche Mutation (UTP14A: S99del) schneiden, besonders rasch und ausschließlich in RKO-Zellen verloren gingen. Im Einklang mit den Screening-Ergebnissen führte die individuelle Infektion der Zellen mit diesen sgRNAs zu einem selektiven Verlust in RKO-, nicht aber HCT-Zellen, wodurch UTP14A: S99del als mutmaßliche Treiber-Mutation in RKO-Zellen identifiziert werden konnte. Die weitere Validierung und Charakterisierung dieser mutmaßlichen Treiber-Mutation wird diskutiert. Insgesamt zeigt dieser Ansatz, dass ein solches CRISPR-basiertes System ein leistungsfähiges Werkzeug auch für umfangreichere Untersuchungen von Krebsmutationen darstellt. Parallel dazu setzte ich die CRISPR-Cas-Technologie ein, um bekannte und bisher nicht therapierbare Treiber-Mutationen, wie z.B. innerhalb der Ras-Onkogen-Familie, zu untersuchen. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, dass jeder dritte Krebspatient ein durch Mutationen aktiviertes KRAS exprimiert, welches damit das am häufigsten mutierte Onkogen in menschlichen Tumorzellen ist. Im Gegensatz zu anderen Molekülen des MAPK-Signalweges konnte KRAS bisher nicht mittels kleiner, inhibitorischer Moleküle inaktiviert werden. Unter diesen Voraussetzungen birgt ein genomischer, CRISPR-basierter Ansatz das Potenzial, eine dringend benötigte therapeutische Alternative zur KRAS-Inaktivierung zu liefern. Ich entwarf daher drei mutationsselektive sgRNAs abzielend auf die häufigsten KRAS-Mutationen. Obwohl diese Strategie geeignet war, um KRAS-mutierte Tumorzellen in 3 unterschiedlichen Krebszelllinien effizient und spezifisch zu entfernen, führte die langfristige Cas9-Expression zur Bildung von onkogenen, resistenten Klonen. Dieses Phänomen wird durch DNA-Doppelstrangbrüche und die nachfolgend einsetzende, endogene DNA-Reparaturmaschinerie begünstigt. Ich konnte zeigen, dass der Adenin-Basen-Editor im Gegensatz dazu nicht nur in der Lage ist, die KRAS-Mutation ohne Doppelstrangbruch zu inaktivieren, sondern diese auch zur Wildtyp-Sequenz reparieren kann. Mit Hilfe dieses Ansatzes erreichte ich insbesondere bei Vorliegen der G12D-Mutation, einen fast vollständigen Abbau der KRAS-korrigierten Zellen. Die Validierung in patienten-abgeleiteten KRAS-G12D-Organoiden bestätigte die effiziente Korrektur sowie die daraus resultierende erhöhte Sensitivität, wenn auch in einem geringeren Maße als in Zelllinien. Somit konnte in dieser Studie erstmals gezeigt werden, dass Basen-Editierung sowohl in Zelllinien als auch in Organoiden, welche aus Tumorzellen der Patienten stammen, erfolgreich eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist dieses System gut verträglich und induziert weder in Zelllinien noch in Organoiden bei Vorliegen des KRAS Wildtyps unerwünschte Nebeneffekte (sogenannte „Off-target-Effekte“). Langfristig kann die Anwendung von CRISPR-basierten- und Basen-Editierungs-technologien zum Ausschalten von KRAS-Mutationen nicht nur zu einem besseren Verständnis der RAS-Biologie führen, sondern zusammen mit neuen Verabreichungsformen und Technologien die Grundlage für eine dringend benötigte KRAS-Therapie bilden.

The last decades of research in cardiovascular prevention have been characterized by successful bench-to-bedside developments for the treatment of low-density lipoprotein (LDL) hypercholesterolemia. Recent examples include the inhibition of proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9) with monoclonal antibodies, small interfering RNA and antisense RNA drugs. The cumulative effects of LDL cholesterol on atherosclerosis make early, potent, and long-term reductions in LDL cholesterol desirable—ideally without the need of regular intake or application of medication and importantly, without side effects. Current reports show durable LDL cholesterol reductions in primates following one single treatment with PCSK9 gene or base editors. Use of the CRISPR/Cas system enables precise genome editing down to single-nucleotide changes. Provided safety and documentation of a reduction in cardiovascular events, this novel technique has the potential to fundamentally change our current concepts of cardiovascular prevention. In this review, the application of the CRISPR/Cas system is explained and the current state of in vivo approaches of PCSK9 editing is presented.

Les extrémités des chromosomes eucaryotes ressemblent à une cassure double brin et, en tant que telles, peuvent conduire à l'activation indésirable de la réponse aux dommages de l'ADN. Les télomères sont une structure ribonucléoprotéique qui coiffe les extrémités des chromosomes et les protège contre l'activation indésirable de la réparation des dommages à l'ADN. Après chaque division cellulaire, on observe un raccourcissement progressif des télomères, ce qui limite leur potentiel prolifératif. Une enzyme spécialisée, la télomérase, reconstitue les télomères pour contrebalancer leur érosion. La télomérase est régulée à la baisse dans la plupart des cellules somatiques. Cependant, l'activité de la télomérase est détectée dans la plupart des cellules souches adultes, bien qu'à de faibles niveaux. Le déficit en télomérase a été associé à un groupe de "troubles de la biologie des télomères" (ou téloméropathies), englobant des maladies de vieillissement prématuré, des syndromes d'insuffisance de la moelle osseuse, des fibroses pulmonaires et des maladies du foie. À l'inverse, dans le cancer, environ 85 % des types de tumeurs sont positifs à la télomérase. Par conséquent, l'inhibition de la télomérase est depuis longtemps considérée comme une cible attrayante pour le traitement du cancer. Dans la présente étude, nous avons cherché à découvrir les facteurs qui affectent la fonction de la télomérase humaine et d'autres protéines associées aux télomères ou à la télomérase. Tout d'abord, nous nous sommes concentrés sur l'identification de nouveaux inhibiteurs de la télomérase à partir de composés naturels. Une nouvelle catéchine a été identifiée dans les extraits végétaux de Burkea africana. Les catéchines sont une classe de molécules que l'on trouve couramment dans le thé vert. La catéchine isolée a inhibé la télomérase humaine recombinante in vitro avec un IC50 de 16,19 μM. Dans un deuxième chapitre, nous avons utilisé un criblage d'édition de bases CRISPR dans une lignée cellulaire humaine pour étudier des mutations cliniquement pertinentes dans 22 gènes importants pour l'homéostasie des télomères. Nous avons identifié des variantes qui affectent négativement l'aptitude cellulaire, y compris certaines variantes précédemment annotées comme variantes de signification incertaine. Nous avons également détecté pour la première fois des variantes hTERT qui confèrent une résistance à la petite molécule BIBR1532, un inhibiteur de la télomérase. Nous avons montré que ces allèles résistants aux médicaments permettent l'immortalisation cellulaire et ont un potentiel tumorigène accru. L'ensemble de ces études souligne l'importance de la télomérase humaine pour le maintien des télomères et la santé cellulaire, contribuant ainsi à une meilleure compréhension du rôle de la télomérase dans le cancer et les troubles de la biologie des télomères. / The extremities of eukaryotic chromosomes resemble a double-stranded break and, as such, can lead to the unwanted activation of the DNA damage response. Telomeres are a ribonucleoprotein structure that caps the ends of the chromosomes and protects them from the unwanted activation of DNA damage recognition and repair processes. After each cellular division, progressive telomere shortening is observed, limiting cellular proliferative potential. A specialized enzyme called telomerase replenishes telomeres to counterbalance telomere erosion. Telomerase is downregulated in most somatic cells. However, telomerase activity is detected in most adult stem cells, although at low levels. Telomerase deficiency has been linked to a group of “Telomere Biology Disorders” (or telomeropathies), encompassing premature aging diseases, bone marrow failure syndromes, pulmonary fibrosis and liver diseases. Conversely, in cancer, around 85% of tumour types are telomerase-positive. Therefore, telomerase inhibition has long been considered an attractive target for cancer therapy. In the present study, we aimed to uncover factors that affect the function of human telomerase and other telomere or telomerase-associated proteins. Firstly, we focused on identifying new telomerase inhibitors from natural compounds. A new catechin was identified in the plant extracts from Burkea africana. Catechins are a class of molecules commonly found in green tea. The isolated catechin inhibited recombinant human telomerase in vitro with an IC50 of 16.19 μM. In the second chapter, we employed a CRISPR base editing screen in a human cell line to investigate clinically-relevant mutations in 22 genes important for telomere homeostasis. We identified variants that negatively affected cell fitness, including some variants previously annotated as variants of uncertain significance. Also, we uncovered hTERT variants that confer resistance to the small molecule BIBR1532, a telomerase inhibitor. We showed that these drug-resistant alleles permit cellular immortalization and exhibit tumorigenic potential at levels comparable to wild-type telomerase. Combined, these studies highlight the importance of human telomerase for telomere maintenance and cell fitness, thereby furthering our understanding of the role of telomerase in cancer and telomere biology disorders.

Derived from and inspired by the adaptive immune system of bacteria, CRISPR has gone from basic biology knowledge to a revolutionizing biotechnological tool, applicable in many research areas such as medicine, industry and agriculture. The full mechanism of CRISPR-Cas9 was first published in 2012 and various CRISPR-Cas systems have already passed the first stages of clinical trials as new gene therapies. The immense research has resulted in continuously growing knowledge of CRISPR systems and the technique seems to have the potential to greatly impact all life on our planet. Therefore, this literature study aims to thoroughly describe the CRISPR-Cas system, and further suggest an undergraduate laboratory exercise involving gene editing with the CRISPR-Cas9 tool. In this paper, we describe the fundamental technical background of the CRISPR-Cas system, especially emphasizing the most studied CRISPR-Cas9 system, its development and applications areas, as well as highlighting its current limitations and ethical concerns. The history of genetic engineering and the discovery of the CRISPR system is also described, along with a comparison with other established gene editing techniques.  This study concludes that a deeper knowledge about CRISPR is important and required since the technique is applicable in many research areas. A laboratory exercise will not only inspire but also provide extended theoretical and practical knowledge for undergraduate students.