Qu'est-ce que CRISPR?

La technologie CRISPR est un outil simple mais puissant pour l'édition des génomes. Il permet aux chercheurs de modifier facilement les séquences d'ADN et de modifier la fonction des gènes. Ses nombreuses applications potentielles comprennent la correction des défauts génétiques, le traitement et la prévention de la propagation des maladies et l'amélioration des cultures. Cependant, sa promesse soulève également des préoccupations éthiques.

Dans l'usage courant, «CRISPR» (prononcé «crisper») est un raccourci pour «CRISPR-Cas9». Les CRISPR sont des segments d'ADN spécialisés. La protéine Cas9 (ou «CRISPR-associated») est une enzyme qui agit comme une paire de ciseaux moléculaires, capable de couper des brins d'ADN.

La technologie CRISPR a été adaptée des mécanismes de défense naturels des bactéries et des archées (domaine des microorganismes unicellulaires). Ces organismes utilisent de l'ARN dérivé de CRISPR et diverses protéines Cas, dont Cas9, pour déjouer les attaques de virus et d'autres corps étrangers. Ils le font principalement en découpant et en détruisant l'ADN d'un envahisseur étranger. Lorsque ces composants sont transférés dans d'autres organismes, plus complexes, cela permet la manipulation des gènes, ou «édition».

Jusqu'en 2017, personne ne savait vraiment à quoi ressemblait ce processus. Dans un article publié le 10 novembre 2017 dans la revue Nature Communications, une équipe de chercheurs dirigée par Mikihiro Shibata de l'Université de Kanazawa et Hiroshi Nishimasu de l'Université de Tokyo a montré à quoi cela ressemble lorsqu'un CRISPR est en action pour la toute première temps. [Un nouveau GIF à couper le souffle montre l'ADN de CRISPR]

CRISPR-Cas9: les acteurs clés

CRISPR: "CRISPR "signifie" grappes de répétitions palindromiques courtes régulièrement espacées. "Il s'agit d'une région spécialisée de l'ADN avec deux caractéristiques distinctes: la présence de répétitions nucléotidiques et d'espaceurs. Des séquences répétées de nucléotides - les éléments constitutifs de l'ADN - sont distribuées dans un CRISPR région. Les espaceurs sont des morceaux d'ADN qui sont intercalés entre ces séquences répétées.

Dans le cas des bactéries, les espaceurs sont prélevés sur des virus qui ont précédemment attaqué l'organisme. Ils servent de banque de souvenirs, ce qui permet aux bactéries de reconnaître les virus et de lutter contre les futures attaques..

Cela a d'abord été démontré expérimentalement par Rodolphe Barrangou et une équipe de chercheurs de Danisco, une société d'ingrédients alimentaires. Dans un article publié en 2007 dans la revue Science, les chercheurs ont utilisé Streptococcus thermophilus les bactéries, que l'on trouve couramment dans le yogourt et d'autres cultures laitières, comme modèle. Ils ont observé qu'après une attaque virale, de nouveaux espaceurs ont été incorporés dans la région CRISPR. De plus, la séquence d'ADN de ces espaceurs était identique à des parties du génome du virus. Ils ont également manipulé les espaceurs en les retirant ou en insérant de nouvelles séquences d'ADN viral. De cette manière, ils ont pu modifier la résistance des bactéries à une attaque par un virus spécifique. Ainsi, les chercheurs ont confirmé que les CRISPR jouent un rôle dans la régulation de l'immunité bactérienne.

ARN CRISPR (ARNr): Une fois qu'un espaceur est incorporé et que le virus attaque à nouveau, une partie du CRISPR est transcrite et transformée en ARN CRISPR, ou «ARNr». La séquence nucléotidique du CRISPR agit comme une matrice pour produire une séquence complémentaire d'ARN simple brin. Chaque ARNr est constitué d'une répétition nucléotidique et d'une partie d'espacement, selon une revue de 2014 de Jennifer Doudna et Emmanuelle Charpentier, publiée dans la revue Science.

Cas9: La protéine Cas9 est une enzyme qui coupe l'ADN étranger.

La protéine se lie typiquement à deux molécules d'ARN: l'ARNr et un autre appelé tracrRNA (ou «trans-activating crRNA»). Les deux guident ensuite Cas9 vers le site cible où il effectuera sa coupe. Cette étendue d'ADN est complémentaire d'un tronçon de 20 nucléotides de l'ARNr.

En utilisant deux régions distinctes, ou «domaines» sur sa structure, Cas9 coupe les deux brins de la double hélice d'ADN, faisant ce que l'on appelle une «cassure double brin», selon l'article scientifique de 2014.

Il existe un mécanisme de sécurité intégré, qui garantit que Cas9 ne coupe pas n'importe où dans un génome. De courtes séquences d'ADN connues sous le nom de PAM («protospacer adjacent motifs») servent d'étiquettes et sont adjacentes à la séquence d'ADN cible. Si le complexe Cas9 ne voit pas de PAM à côté de sa séquence d'ADN cible, il ne coupera pas. C'est l'une des raisons possibles pour lesquelles Cas9 n'attaque jamais la région CRISPR chez les bactéries, selon une revue de 2014 publiée dans Nature Biotechnology..

CRISPR-Cas9 comme outil d'édition du génome

Les génomes de divers organismes codent pour une série de messages et d'instructions dans leurs séquences d'ADN. L'édition du génome implique de changer ces séquences, changeant ainsi les messages. Cela peut être fait en insérant une coupure ou une rupture dans l'ADN et en incitant les mécanismes naturels de réparation de l'ADN d'une cellule à introduire les changements souhaités. CRISPR-Cas9 fournit un moyen de le faire.

En 2012, deux articles de recherche clés ont été publiés dans les revues Science et PNAS, qui ont contribué à transformer CRISPR-Cas9 bactérien en un outil d'édition génomique simple et programmable..

Les études, menées par des groupes séparés, ont conclu que Cas9 pouvait être dirigé pour couper n'importe quelle région d'ADN. Cela pourrait être fait en changeant simplement la séquence nucléotidique de l'ARNr, qui se lie à une cible ADN complémentaire. Dans l'article Science de 2012, Martin Jinek et ses collègues ont encore simplifié le système en fusionnant l'ARNr et le tracrARN pour créer un seul «ARN guide». Ainsi, l'édition du génome ne nécessite que deux composants: un ARN guide et la protéine Cas9.

«Sur le plan opérationnel, vous concevez un tronçon de 20 paires de bases [nucléotidiques] qui correspondent à un gène que vous souhaitez modifier», a déclaré George Church, professeur de génétique à la Harvard Medical School. Une molécule d'ARN complémentaire de ces 20 paires de bases est construite. Church a souligné l'importance de s'assurer que la séquence nucléotidique se trouve uniquement dans le gène cible et nulle part ailleurs dans le génome. «Ensuite, l'ARN plus la protéine [Cas9] coupera - comme une paire de ciseaux - l'ADN sur ce site, et idéalement nulle part ailleurs», a-t-il expliqué..

Une fois l'ADN coupé, les mécanismes de réparation naturels de la cellule interviennent et agissent pour introduire des mutations ou d'autres changements dans le génome. Cela peut se produire de deux manières. Selon le Huntington's Outreach Project à Stanford (Université), une méthode de réparation consiste à recoller les deux coupes. Cette méthode, connue sous le nom de «jonction d'extrémité non homologue», tend à introduire des erreurs. Les nucléotides sont accidentellement insérés ou supprimés, ce qui entraîne des mutations susceptibles de perturber un gène. Dans la deuxième méthode, la coupure est fixée en remplissant le vide avec une séquence de nucléotides. Pour ce faire, la cellule utilise un court brin d'ADN comme matrice. Les scientifiques peuvent fournir le modèle d'ADN de leur choix, écrivant ainsi le gène de leur choix ou corrigeant une mutation.

Utilité et limites

CRISPR-Cas9 est devenu populaire ces dernières années. Church note que la technologie est facile à utiliser et est environ quatre fois plus efficace que le meilleur outil d'édition du génome précédent (appelé TALENS).

En 2013, les premiers rapports d'utilisation de CRISPR-Cas9 pour éditer des cellules humaines dans un cadre expérimental ont été publiés par des chercheurs des laboratoires de Church et Feng Zhang du Broad Institute du Massachusetts Institute of Technology et de Harvard. Des études utilisant des modèles in vitro (laboratoire) et animaux de maladies humaines ont démontré que la technologie peut être efficace pour corriger les défauts génétiques. Des exemples de telles maladies comprennent la fibrose kystique, les cataractes et l'anémie de Fanconi, selon un article de synthèse de 2016 publié dans la revue Nature Biotechnology. Ces études ouvrent la voie à des applications thérapeutiques chez l'homme.

"Je pense que la perception publique de CRISPR est très centrée sur l'idée d'utiliser la modification génétique en clinique pour guérir les maladies", a déclaré Neville Sanjana du New York Genome Center et professeur adjoint de biologie, neurosciences et physiologie à l'Université de New York. "C'est sans aucun doute une possibilité passionnante, mais ce n'est qu'une petite pièce."

La technologie CRISPR a également été appliquée dans les industries agro-alimentaire pour concevoir des cultures probiotiques et vacciner les cultures industrielles (pour le yaourt, par exemple) contre les virus. Il est également utilisé dans les cultures pour améliorer le rendement, la tolérance à la sécheresse et les propriétés nutritionnelles.

Une autre application potentielle est la création de forages génétiques. Ce sont des systèmes génétiques, qui augmentent les chances qu'un trait particulier passe du parent à la progéniture. Finalement, au fil des générations, le trait se propage à travers des populations entières, selon l'Institut Wyss. Les lecteurs de gènes peuvent aider à contrôler la propagation de maladies telles que le paludisme en améliorant la stérilité chez le vecteur de la maladie - la femme Anopheles gambiae moustiques - selon l'article de 2016 Nature Biotechnology. En outre, le forçage génétique pourrait également être utilisé pour éradiquer les espèces envahissantes et inverser la résistance aux pesticides et aux herbicides, selon un article de 2014 par Kenneth Oye et ses collègues, publié dans la revue Science.

Cependant, CRISPR-Cas9 n'est pas sans inconvénients.

"Je pense que la plus grande limitation de CRISPR est qu'il n'est pas efficace à cent pour cent", a déclaré Church. De plus, l'efficacité de l'édition du génome peut varier. Selon l'article Science de 2014 de Doudna et Charpentier, dans une étude menée sur le riz, l'édition de gènes s'est produite dans près de 50% des cellules ayant reçu le complexe Cas9-ARN. Alors que d'autres analyses ont montré qu'en fonction de la cible, l'efficacité de l'édition peut atteindre 80% ou plus.

Il y a aussi le phénomène des «effets hors cible», où l'ADN est coupé à des sites autres que la cible visée. Cela peut conduire à l'introduction de mutations involontaires. En outre, Church a noté que même lorsque le système coupe sur la cible, il y a une chance de ne pas obtenir une modification précise. Il a appelé cela «vandalisme génomique».

Fixer des limites

Les nombreuses applications potentielles de la technologie CRISPR soulèvent des questions sur les mérites éthiques et les conséquences de la falsification des génomes.

Dans l'article de Science 2014, Oye et ses collègues soulignent l'impact écologique potentiel de l'utilisation du forçage génétique. Un caractère introduit pourrait se propager au-delà de la population cible à d'autres organismes par croisement. Les lecteurs de gènes pourraient également réduire la diversité génétique de la population cible.

La modification génétique des embryons humains et des cellules reproductrices telles que le sperme et les œufs est connue sous le nom de modification de la lignée germinale. Étant donné que les modifications apportées à ces cellules peuvent être transmises aux générations suivantes, l'utilisation de la technologie CRISPR pour effectuer des modifications de la lignée germinale a soulevé un certain nombre de préoccupations éthiques..

L'efficacité variable, les effets hors cible et les modifications imprécises présentent tous des risques pour la sécurité. En outre, il y a encore beaucoup de choses qui sont encore inconnues de la communauté scientifique. Dans un article de 2015 publié dans Science, David Baltimore et un groupe de scientifiques, d'éthiciens et d'experts juridiques notent que l'édition de la lignée germinale soulève la possibilité de conséquences involontaires pour les générations futures "car il y a des limites à nos connaissances sur la génétique humaine, les interactions gène-environnement, et les voies de la maladie (y compris l'interaction entre une maladie et d'autres conditions ou maladies chez le même patient). "

D'autres préoccupations éthiques sont plus nuancées. Devrions-nous apporter des changements qui pourraient affecter fondamentalement les générations futures sans leur consentement? Et si l'utilisation de l'édition germinale passait d'un outil thérapeutique à un outil d'amélioration de diverses caractéristiques humaines?

Pour répondre à ces préoccupations, les Académies nationales des sciences, de l'ingénierie et de la médecine ont rédigé un rapport complet contenant des lignes directrices et des recommandations pour l'édition du génome..

Bien que les Académies nationales recommandent la prudence dans la poursuite de l'édition de la lignée germinale, elles soulignent que «la prudence ne signifie pas l'interdiction». Ils recommandent que l'édition de la lignée germinale ne soit effectuée que sur les gènes qui conduisent à des maladies graves et uniquement lorsqu'il n'y a pas d'autres alternatives de traitement raisonnables. Entre autres critères, ils soulignent la nécessité de disposer de données sur les risques et les bénéfices pour la santé et la nécessité d'une surveillance continue pendant les essais cliniques. Ils recommandent également le suivi des familles sur plusieurs générations.

Recherche récente

Il y a eu de nombreux projets de recherche récents basés sur CRISPR. "Le rythme des découvertes de la recherche fondamentale a explosé, grâce à CRISPR", a déclaré Sam Sternberg, biochimiste et expert CRISPR, chef du groupe de développement technologique chez Caribou Biosciences Inc., basé à Berkeley, en Californie, qui développe des solutions basées sur CRISPR pour la médecine, agriculture et recherche biologique.

Voici quelques-unes des découvertes les plus récentes:

• En avril 2017, une équipe de chercheurs a publié une recherche dans la revue Science selon laquelle ils avaient programmé une molécule CRISPR pour trouver des souches de virus, telles que Zika, dans le sérum sanguin, l'urine et la salive..
• Le 2 août 2017, des scientifiques ont révélé dans la revue Nature qu'ils avaient éliminé avec succès une anomalie cardiaque chez un embryon en utilisant CRISPR.
• Le 2 janvier 2018, des chercheurs ont annoncé qu'ils pourraient être en mesure d'arrêter les champignons et autres problèmes qui menacent la production de chocolat en utilisant CRISPR pour rendre les plantes plus résistantes aux maladies..
• Le 16 avril 2018, des chercheurs ont mis à niveau CRISPR pour éditer des milliers de gènes à la fois, selon une étude publiée par la revue BioNews.

Reportage supplémentaire par Alina Bradford, contributrice.

Ressources supplémentaires

• Broad Institute: Une chronologie des travaux pivots sur CRISPR
• Nouvelles du génie génétique et de la biotechnologie: CRISPR-Cas9 amélioré 10000 fois par les nucléotides synthétiques
• Broad Institute: Questions et réponses sur CRISPR