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Un outil génétique révolutionnaire

15.01.2020
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Ces dernières années, une nouvelle méthode d’épissage a fondamentalement transformé le jeu de la génétique : Crispr/Cas9. Ces « ciseaux à gènes » permettent de modifier les éléments structurels de l’ADN avec une précision auparavant inimaginable.

Dr. Klaus Duffner | Germany

Fin novembre, l’an dernier, il y a eu un boulversement international : le biophysicien chinois Hè Jiànkuí de l’université de Shenzhen a annoncé la naissance de jumelles dont le patrimoine génétique avait été modifié au stade embryonnaire pour le rendre résistant au VIH.

L’université de Shenzhen a été « profondément choquée » par cette transgression et d’innombrables scientifiques et politiciens ont de même été indignés. Peu après les autorités publiques ont arrêté Hè et l’ont sanctionné. Cette manipulation du génome a été rendue possible par une nouvelle technique considérée comme l’un des développements majeurs en biologie moléculaire : les « ciseaux à gènes » Crispr/Cas9.


Au départ : des bactéries combattent des virus

Comme ceci est souvent le cas avec les découvertes révolutionnaires, Crispr/Cas9 a débuté avec une observation : les bactéries peuvent se défendre efficacement contre les virus hostiles.

Cette défense repose sur ce que l’on appelle le système Crispr/ Cas. Lorsqu’un virus se lie à une cellule bactérienne et y injecte son matériel génétique, un petit fragment de ce matériel est inséré entre les séquences Crispr de l’ADN bactérien. Ces fragments représentent une bibliothèque de tous les pathogènes que la cellule a rencontrés dans le passé. En cas de nouvelle infection, Crispr/ Cas fournit une « mémoire » de la défense de la bactérie contre l’infection, lui permettant ainsi de découper le virus et de le rendre inoffensif. Cette bibliothèque est conservée pendant des générations car elle est transmise par la bactérie à ses descendants.

Ainsi, comme avec l’épigénétique, une propriété acquise est héritée – un mécanisme qui bafoue le concept d’évolution de Darwin. Nous savons aujourd’hui qu’environ la moitié de toutes les bactéries connues ont un système de défense Crispr/ Cas. Selon le type, on distingue deux grandes catégories de Crispr/ Cas. Les systèmes de classe I incluent les complexes protéiques consistant en de nombreuses molécules tandis que les systèmes de classe II n’incluent qu’une seule protéine coupante.


Mutations ciblées
En 2011 et 2012, Emmanuelle Charpentier et Jennifer Doudna de l’université de Berkeley, Californie, ont publié les résultats de leur recherche fondamentale sur la défense Crispr/ Cas9 des bactéries dans les plus importantes revues spécialisées, Nature et Science. Un an plus tard, Zhāng Fēng de l’Institut Broad de Cambridge a publié une manière d’appliquer égalégalement la méthode à des organismes supérieurs car Crispr/ Cas9 fonctionne non seulement dans les bactéries mais également dans les cellules nucléées, à savoir celles des plantes, des animaux et des humains.
Le système Crispr/ Cas repose sur 3 éléments :

  1. Une courte molécule d’ARN sert de séquence de reconnaissance génétique. Une telle « sonde » peut être produite relativement facilement et correspond au schéma des nucléotides de la séquence d’ADN ciblée correspondante.
  2. Il est lié à ce que l’on appelle l’ARNtracr.
  3. Ce complexe ARN se fixe à son tour comme « guide » à un outil de coupe enzymatique, la protéine Cas9. Cela complète les ciseaux à gènes moléculaires consistant en une séquence de reconnaissance d’ARN, l’ARNtracr et les ciseaux Cas9

À présent le complexe triple se lie à un emplacement spécifique sur un ADN cible et le découpe avec les ciseaux Cas9. Les scientifiques américains ont réalisé le potentiel de ce mécanisme. Dans la mesure où il est aisé de modifier la séquence de reconnaissance de l’ARN, il est à présent possible de déterminer exactement le lieu de liaison des ciseaux à gènes moléculaires et de découper l’ADN cible. Il est vrai qu’une cellule est capable de réparer une telle coupure ; cependant, cette réparation est habituellement incomplète et entraîne des erreurs de lecture. En d’autres termes, en découpant l’ADN cible, il est possible « d’éteindre » des gènes spécifiques. Il est en outre possible d’insérer dans la coupure des briques d’ADN individuelles ou des fragments d’ADN fonctionnel plus larges et d’implanter ainsi dans le génome des propriétés totalement nouvelles de manière très précise.


Pas de place pour le hasard
Crispr/Cas9 et les autres méthodes de ce que l’on appelle « l’édition génomique » promettent une pléthore de possibilités d’application. Dans l’amélioration génétique des plantes et des animaux, par exemple, les généticiens essaient de créer des variétés et des espèces plus productives ou plus résistantes aux maladies. Cela inclut, par exemple, du blé résistant au mildiou, du maïs enrichi en amidon ou des pommes de terre pouvant être conservées à basse température.

Le mécanisme de base – induction d’une cassure doublebrin suivie d’une réparation cellulaire – est le même que celui qui suit les mutations naturelles. La sélection par mutation des plantes repose également sur ce processus. Auparavant, toutefois, ces cassures étaient déclenchées de manière non contrôlée, souvent par irradiation ou avec des produits chimiques. Le point d’insertion du nouveau gène supplémentaire dans le génome d’une plante était donc dû au hasard.

Avec l’édition génomique, et notamment avec Crispr/Cas9, les résultats ne sont plus dus au hasard car l’édition intervient précisément à des endroits prédéterminés. Cependant, même avec Crispr/ Cas9, des mutations non voulues sont possibles même si elles sont rares.

Ces mutations dites « off-target » pouvant avoir de graves conséquences, notamment dans le domaine médical, les scientifiques ont poursuivi avec précaution le développement de Crispr/ Cas9 et d’autres ciseaux protéiques pour améliorer la précision. Par exemple, de nouveaux variants de Crispr/ Cas9 coupent un brin simple d’ADN, ce qui réduit significativement le nombre de paires de bases manquantes ou supplémentaires (22). Si les deux brins simples sont coupés à des endroits décalés, produisant des « extrémités cohésives » – c’est-à-dire des extrémités d’ADN avec des débords supplémentaires –, la précision de la modification génétique est significativement améliorée.


Beaucoup de choses restent à éclaircir
Les scientifiques travaillent depuis des années sur certaines maladies en modifiant spécifiquement le patrimoine génétique, mais sans succès la plupart du temps. Depuis la découverte du système Crispr/ Cas9, il y a de nouveaux espoirs. Les premiers résultats positifs ont été rapportés : un traitement pour la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD). Cette maladie est due à la mutation d’un gène qui produit la dystrophine, une protéine importante des fibres musculaires.

Des taux légèrement supérieurs de cette protéine ont été détectés après un traitement avec Crispr/ Cas9. Dans les premières études cliniques, les nouvelles méthodes d’édition génomique ont également été évaluées chez des patients atteints d’un cancer ou infectés par le VIH. Cependant, les scientifiques bataillent toujours : à ce jour, la réparation génétique fonctionne dans relativement peu de cellules humaines. En effet, le mécanisme de réparation n’est actif que dans les cellules qui se reproduisent, et la plupart des cellules de l’organisme ne se répliquent pas. Il y a en outre la question de savoir comment conduire les ciseaux à gènes sur leur site d’action à l’intérieur des cellules de l’organisme. L’estomac et les immunocytes dans le sang détruisent ces protéines.

Il est possible que des véhicules tels que les nanoparticules (p. ex. les liposomes) puissent transporter les molécules Crispr/ Cas9 directement à l’intérieur des cellules. Des virus inoffensifs ou artificiellement inactivés sont également étudiés comme véhicules.

La question de savoir s’il faut réparer les gènes défectueux déjà présents dans la lignée germinale – à savoir dans les ovules et les spermatozoïdes ou dans les embryons, comme cela semble avoir été le cas des deux jumelles chinoises – est très controversée pour des raisons éthiques. La plupart des scientifiques désapprouvent cette approche dans la mesure où elle ouvrirait la voie à la « création d’humains ».

Dr. Klaus Duffner

Dr. Klaus Duffner | Germany

Scientific Journalist
Medizin & Wissen Freiburg

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