CRISPR-Cas9, ciseaux ou couteau suisse génétique ?

CRISPR-Cas9, ciseaux ou couteau suisse génétique ?
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Publié le 14 mai 2020

CRISPR (Clustered regularly interspaced short palindromic repeat) a souvent fait parler de lui dans la presse scientifique au regard des avancées qu’il permet en combinaison de Cas9 (CRISPR associated protein 9), notamment en ce qui concerne la thérapie génique. ABGI vous propose un article complet sur le sujet !

Qu’est-ce que CRISPR et Cas9 ?

 

CRISPR désigne une séquence génétique héritée d’un pathogène lors de son passage au sein d’un organisme procaryote.

En conservant une trace génétique de ces pathogènes, les procaryotes peuvent non seulement les identifier ultérieurement (grâce à CRISPR, la séquence héritée), mais également générer une nucléase (enzyme) capable de couper la séquence cible dans l’ADN du pathogène afin de le combattre grâce au mécanisme immunitaire Cas associé à la séquence CRISPR. En effet, cette nucléase est guidée par la séquence ARN transcrite par la séquence génétique CRISPR héritée du pathogène.

Ainsi, le mécanisme du système immunitaire procaryote basé sur CRISPR [1], [2] et sa transformation en un puissant outil d’édition de gènes [3], [4] a révolutionné le domaine de la biologie moléculaire et a suscité l’enthousiasme pour des thérapies géniques nouvelles.

 

Mais qu’est-ce que la thérapie génique ?

 

Il s’agit d’une méthode visant à appliquer une action correctrice sur les gènes par le biais d’une modification de leur structure, c’est-à-dire en « découpant » une séquence cible de l’ADN.

Le système de nucléase spécifique au site CRISPR/Cas9 s’est vu généralisé dans de nombreux domaines de la recherche biologique en raison de sa simplicité et de sa flexibilité, notamment pour le développement de lignées cellulaires modèles, pour la découverte des mécanismes d’une maladie, ou encore pour la régulation de la transcription, etc.

Une grande partie de cet enthousiasme est centrée sur le potentiel clinique de CRISPR/Cas9 pour le traitement des maladies humaines et l’édition du génome humain. Ainsi, l’édition facilitée de l’ADN a apporté un nouveau rythme à la recherche biologique dans de nombreux domaines :

  • L’identification et la compréhension des mécanismes des maladies génétiques [5], [6].
  • La validation des objectifs en matière de maladies [7].
  • La possibilité de réaliser des études épigénétiques plus approfondies [8].

 

À quoi peut servir CRISPR/Cas9 ?

 

Depuis sa démocratisation dans les laboratoires de recherche en génétique, la méthode basée sur CRISPR/Cas9 a permis de nombreuses applications dans bien des domaines. L’engouement suscité par CRISPR/Cas9 s’illustre surtout dans les domaines tels que la santé, l’agriculture ou encore l’élevage.

 

Dans le domaine de la santé

Transplantation inter-espèce

En France, environ 20 000 patients par an sont en liste d’attente pour un greffon. Un tel contexte a motivé les chercheurs à proposer une solution pour pallier ce manque en organes. Ainsi, en 2018, l’équipe de Längin et al. [9] a travaillé sur un moyen, par le biais de CRISPR/Cas9, d’accroître la compatibilité d’une greffe en modifiant l’ADN de l’organe greffé (un cœur). La transplantation expérimentale a eu lieu sur un babouin qui a survécu 6 mois avec la greffe. Bien que cette expérience soit encourageante, elle n’est pas suffisante et de nombreux travaux sont encore à mener dans le milieu.

Lutter contre le cancer

Outre son action sur la compatibilité, CRISPR, par sa capacité à cibler une séquence particulière dans l’ADN, a permis à une équipe de chercheurs d’injecter des lymphocytes T génétiquement modifiés chez un patient atteint d’un cancer du poumon afin que ces derniers reconnaissent et attaquent les cellules tumorales [10].

Lutte contre le paludisme

Un autre moyen de lutter contre certaines maladies a été expérimenté. Il s’agissait, à l’aide de CRISPR, de modifier génétiquement des moustiques mâles afin de les rendre résistants au parasite responsable du paludisme (plasmodium) et ainsi de lutter contre le paludisme en éliminant les moustiques vecteurs de la maladie [11].

 

Dans le domaine de la production agricole et énergétique

Améliorer génétiquement les plantes

Une équipe de chercheurs de l’Université Purdue et de l’Académie des Sciences de la Chine a développé une variété de riz produisant 25 % à 35 % de grains en plus, grâce à des mutations effectuées sur 13 gènes associés à la phytohormone acide abscissique. Cette dernière a un rôle important dans la tolérance au stress des plantes et la suppression de la croissance [12].

Améliorer l’élevage

L’élevage est également un domaine de recherche intéressant pour CRISPR/Cas9. En effet, ce dernier pouvant aider à lutter contre certaines maladies (grippe aviaire, porcine, tuberculose, etc.) et/ou à renforcer les animaux (chaleur, froid, etc.), voire à introduire une stérilisation sous forme génétique.

Biocarburant

Avec CRISPR, le potentiel génétique de certaines plantes peut également être amélioré et mobilisé dans la lutte contre le réchauffement climatique.

Une équipe de chercheurs de Taïwan a travaillé sur une algue verte bien connue (Chlamydomonas reinhardtii) qui est capable de transformer naturellement le CO2 en sucre et en lipides. Les chercheurs ont réussi à augmenter la production de lipides de 94 % chez cette algue en modulant l’expression d’un gène régulant la fixation du carbone, la rendant alors intéressante pour la production de biodiesel [13].

 

Pour la préservation des espèces

Renforcer des espèces existantes

Les espèces disparues ayant vécu dans des contextes climatiques particuliers peuvent apporter des éléments de survie à leurs descendants menacés.

En effet, le généticien George Church vise l’introduction de génome de mammouth  dans le génome d’un éléphant indien, l’espèce la plus proche. Selon George Church, l’objectif de son équipe est de créer des éléphants avec des adaptations aux climats froids. Leurs cibles initiales de modification génétique comprennent des gènes qui affectent l’hémoglobine sanguine, la taille des oreilles, la graisse sous-cutanée et les poils [14].

Si l’équipe parvient à créer des éléphants génétiquement modifiés, ces animaux pourraient être introduits dans les environnements dans lesquels les mammouths vivaient autrefois, ce qui permettrait à la fois d’élargir la gamme des habitats dans lesquels les éléphants peuvent vivre et de rétablir les interactions écologiques qui ont été perdues lorsque les mammouths ont disparu.

 

Utilité de l’application CRISPR/Cas9

Ces différents exemples d’application de CRISPR/Cas9 dans différents domaines montrent l’utilité de la méthode. Néanmoins, certains chercheurs travaillent sur des problématiques génétiques bien plus soumises à débat d’un point de vue éthique. Si le travail sur des cellules in vivo ou sur d’autres espèces existe depuis un moment et est donc encadré, le travail sur des individus humains soulève la controverse.

 

Problématiques éthiques

 

La thérapie génique pourrait ainsi grandement bénéficier de la technologie CRISPR/Cas9. À ce jour, plus de 3 000 gènes ont été associés à des mutations pathogènes [15].

Application à l’homme avec plus ou moins de succès

Les premiers efforts pour corriger les mutations génétiques pathogènes chez l’homme, bien que généralement couronnés de succès, ont été entachés par plusieurs tragédies :

  • L’essai de thérapie génique précoce le plus connu a sans doute été réalisé dans le cadre de deux études menées en France [16], [17] et au Royaume-Uni [18], [19] sur des enfants souffrant d’une immunodéficience combinée sévère liée à l’X (SCID X-1).
    • Sur les 20 patients participant à l’essai, 17 ont été guéris avec succès et de manière stable [20]. Cependant, cinq enfants ont ensuite développé une leucémie à cellules T, et un enfant est mort d’une leucémie réfractaire à la chimiothérapie.
    • Dans tous les cas de leucémie, le gène correcteur SCID X-1 s’était inséré dans le génome du patient à l’intérieur ou à proximité des gènes promoteurs de la tumeur et avait provoqué une activation transcriptionnelle.
  • Dans une autre tragédie, un homme de 18 ans souffrant d’une déficience partielle en ornithine transcarbamylase (OTC) est mort après avoir développé une réponse inflammatoire massive à un vecteur adénoviral, quatre heures après avoir reçu le traitement [21].

 

Méthode d’administration thérapeutique en cause ?

Les deux tragédies ont été causées par la méthode d’administration thérapeutique [22] :

  • Dans le cas du SCID X-1, la construction génique correctrice a été insérée de manière non spécifique dans le génome.
  • Dans le cas de la déficience partielle en OTC, le vecteur viral a induit une réponse immunitaire sévère. Il est donc essentiel que les technologies de thérapie génique permettent une modification très spécifique du génome afin de réduire le risque de mutagenèse indésirable, et que le vecteur de livraison permette un transport sûr et efficace vers la cible.

 

Progrès des technologies de thérapie génique

Une décennie après ces tragédies, de grands progrès ont été réalisés dans le domaine des technologies de thérapie génique, ce qui a suscité un regain d’enthousiasme pour la promesse d’un traitement à large spectre des maladies génétiques. Les progrès comprennent la découverte et le développement de nucléases spécifiques à un site pour l’édition de gènes :

  • Les nucléases à doigt de zinc (ZFN) [23].
  • Les nucléases effectrices de type activateur de transcription (TALEN) [24] et CRISPR/Cas9.

 

Travaux sur l’être humain

Toutefois, la communauté scientifique reste sceptique à l’égard des travaux réalisés sur l’être humain et demeure particulièrement soucieuse de conserver une éthique stricte. Encore récemment, certains chercheurs ont généré beaucoup de réactions de la part de la communauté scientifique.

Immunité contre le VIH

En 2018, le chercheur chinois He Jiankui a annoncé avoir donné naissance au premier bébé génétiquement modifié pour être immunisé contre le VIH (virus de l’immunodéficience humaine) en désactivant un gène appelé CCR5 impliqué dans la déclaration du SIDA (syndrome d’immunodéficience acquise). Cette première mondiale a valu un procès au chercheur ainsi qu’une mise au ban par l’ensemble de la communauté scientifique internationale.

En parallèle, elle a également ouvert la voie à un débat sur les manipulations génétiques visant à améliorer l’être humain, car d’une part, des couples porteurs d’une maladie transmissible pourraient donner naissance à des bébés sains, mais d’autre part, cela pourrait ouvrir la porte à des dérives eugéniques.

Contrer la surdité

La mutation du gène GJB2 est responsable de plus 50 % des surdités autosomiques récessives non syndromiques. La mutation la plus fréquemment décrite dans le monde est la c.35delG.

En 2014, l’équipe de Zainone et al. [25] a travaillé sur ce qui semblait être une nouvelle mutation du gène GJB2. Leur travail a porté sur deux patients présentant une surdité congénitale bilatérale profonde. Les chercheurs ont recherché une mutation du gène GJB2 chez ces deux patients en utilisant la PCR et le séquençage direct de l’ADN.

L’étude génétique a révélé une mutation par délétion au niveau du nucléotide 405 (c.405delC). Cette mutation a été détectée à l’état hétérozygote combinée à la mutation c.35delG. La mère et le père étaient tous les deux transporteurs respectivement des mutations c.35delG et c.405delC.

C’est sur ce gène que le biologiste russe Denis Rebrikov a mené des travaux en 2019 [26]. Le chercheur a travaillé sur l’édition de gènes à partir d’ovules donnés par des femmes non atteintes de surdité afin d’identifier les séquences mises en cause dans la surdité et de permettre à des couples sourds de donner naissance à des enfants sans la mutation génétique identifiée qui altère l’audition. Ses travaux ont également soulevé l’indignation de la communauté scientifique.

 

« Science sans conscience n’est que ruine de l’âme »

Les progrès réalisés grâce à CRISPR/Cas9 sont nombreux et montrent à quel point un nouvel outil peut propulser tout un champ scientifique en lui donnant un nouveau rythme d’avancement.

Cependant, comme le disait Rabelais « Science sans conscience n’est que ruine de l’âme ».

Il est nécessaire de demeurer prudent dans notre approche des innovations en considérant tous les facteurs possibles. Le contexte actuel (COVID-19) nous montre que la recherche n’est pas une course dans laquelle il faut s’engager sans protection.

 

Méthodes biométriques d'identification : reconnaissance faciale et digitale


Lindsay CHEMET

Rédactrice Scientifique
chez ABGI France


Lectures associées

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Bibliographie

Les applications classiques

  1. A. Bolotin, B. Quinquis, A. Sorokin and S. D. Ehrlich, “Clustered regularly interspaced short palindrome repeats (CRISPRs) have spacers of extrachromosomal origin”, Microbiology, vol. 151(8), pp. 2551 – 2561, 2005. doi:10.1099/mic.0.28048-0
  2. F. J. Mojica, C. Diez-Villasenor, J. Garcia-Martinez and E. Soria, “Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements”, J. Mol. Evol., vol. 60, pp. 174 – 182, 2005. doi:10.1007/s00239-004-0046-3
  3. M. Jinek, K. Chylinski, I. Fonfara et al., “A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity”, Science, vol. 337, pp. 816 – 821, 2012. doi:10.1126/science.1225829
  4. S. W. Cho, S. K. Kim, J. M. Kim and J. S. Kim, “Targeted genome engineering in human cells with the Cas9 RNA-guided endonuclease”, Nat. Biotechnol., vol. 31, pp. 230 – 232, 2013. doi:10.1038/nbt.2507
  5. G. M. Findlay E. A. Boyle, R. J. Hause et al., “Saturation editing of genomic regions by multiplex homology-directed repair”, Nature, vol. 513, pp. 120 – 123, 2014. doi:10.1038/nature13695
  6. L. A. Gilbert, M. A. Horlbeck, B. Adamson et al., “Genome-scale CRISPR-mediated control of gene repression and activation”, Cell, vol. 159, pp. 647 – 661, 2014. doi:10.1016/j.cell.2014.09.029
  7. O. Shalem, N. E. Sanjana, E. Hartenian et al. “Genome-scale CRISPR-Cas9 knockout screening in human cells”, Science, vol. 343, pp. 84 – 87, 2014. doi:10.1126/science.1247005
  8. S. Vora, M. Tuttle, J. Cheng and G. Church, “Next stop for the CRISPR revolution: RNA-guided epigenetic regulators”, FEBS J., vol. 283, pp. 3181 – 3193, 2016. doi:10.1111/febs.13768

    Les applications innovantes

  9. M. Längin, T. Mayr, B. Reichart, S. Michel, S. Buchholz, S.Guethoff, A. Dashkevich et al., “Consistent success in life-supporting porcine cardiac xenotransplantation”, Nature, vol. 564, pp. 430 – 433, 2018. doi:1038/s41589-019-1108-4
  10.  R. A. Elbarbary, K. Miyoshi, J. R. Myers, P. Du, J. M. Ashton, N. Tian and L. E. Maquat, “Tudor-SN–mediated endonucleolytic decay of human cell microRNAs promotes G1/S phase transition”, Science, vol. 356(6340), pp. 859 – 862, 2017. doi:10.1126/science/aai9372
  11.  V. M. Gantz, N. Jasinskiene, O. Tatarenkova, A. Fazekas, V. M. Macias, E. Bier and A. A. James, “Highly efficient Cas9-mediated gene drive for population modification of the malaria vector mosquito Anopheles stephensi”, PNAS, 2015. doi:10.1073/pnas.1521077112
  12.  C. Miao, L. Xiao, K. Hua, C. Zou, Y. Zhao, R. A. Bressan and J.-K. Zhu, “Mutations in a subfamily of abscisic acid receptor genes promote rice growth and productivity”, PNAS, vol. 115(23), pp. 6058 – 6063, 2018. doi:10.1073/pnas.1804774115
  13.  P.-H. Kao and I.-S. Ng, “CRISPRi mediated phosphoenolpyruvate carboxylase regulation to enhance the production of lipid in Chlamydomonas reinhardtii”, Bioresource technology, vol. 245, part B, pp. 1527 – 1537, 2017. doi:10.1016/j.biortech.2017.04/11
  14.  B. Shapiro, “Mammoth 2.0: will genome engineering resurrect extinct species?”, Genome biology, vol. 16(228), 2015. doi:10.1186/s13059-015-0800-4

    Tragédies de la manipulation génétique

  15.  D. B. T. Cox, R. J. Platt and F. Zhang, “Therapeutic genome editing: prospects and challenges”, Nat Med, vol. 21, pp 121 – 131, 2015. doi:10.1038/nm.3793
  16.  S. Hacein-Bey-Abina, F. Le Deist, F. Carlier et al., « Sustained correction of X-linked severe combined immunodeficiency by ex vivogene therapy”, N Engl J Med, vol. 346, pp. 1185 – 1193, 2002.
  17.  S. Hacein-Bey-Abina, J. Hauer, A. Lim et al., “Efficacy of gene therapy for X-linked severe combined immunodeficiency”, N Engl J Med, vol. 363, pp.  355 – 364, 2010. doi:10.1007BF02982686
  18.  H. B. Gaspar, K. L. Parsley, S. Howe et al., “Gene therapy of X-linked severe combined immunodeficiency by use of a pseudotyped gammaretroviral vector”, The Lancet, vol. 364, pp. 2181 – 2187, 2004. doi:10.1016/S0140-6736(04)17590-9
  19.  H. B. Gaspar, S. Cooray, K. C. Gilmour et al., “Long-term persistence of a polyclonal T cell repertoire after gene therapy for X-linked severe combined immunodeficiency”, Sci Translational Med, vol. 3, 2011. doi:10.1126/scitranslmed.3002715
  20.  M. Cavazzana, E. Six, C. Lagresle-Peyrou et al., “Gene therapy for X-linked severe combined immunodeficiency: where do we stand?”, Hum Gene Ther, vol. 27, pp. 108 – 116, 2016. doi:10.1089/hum.2015.137
  21.   “Assessment of adenoviral vector safety and toxicity: report of the National Institutes of Health Recombinant DNA Advisory Committee”, Hum Gene Ther, vol. 13, pp. 3 –13, 2002. doi:10.1089/10430340152712629

    Problématiques éthiques

  22.  J. S. LaFountaine, K. Fathe and H. D. Smyth, “Delivery and therapeutic applications of gene editing technologies ZFNs, TALENs, and CRISPR/Cas9”, Int J Pharm, vol. 494, pp. 180 – 194, 2015. doi:10.1016/j.ijpharm.2015.08.029 
  23.  M. Bibikova, M. Golic, K. Golic and G. D. Carroll, “Targeted chromosomal cleavage and mutagenesis in Drosophila using zinc-finger nucleases”, Genetics, vol. 161, pp. 1169 – 1175, 2002.
  24.  M. Christian, T. Cermak, E. L. Doyle et al., “Targeting DNA double-strand breaks with TAL effector nucleases”, Genetics, vol. 186, pp. 757 – 761, 2010. doi:10.1534/genetics.110.120717
  25.  R. Zainone, Z. Riahi, H. Hachicha, R. Bechraoui, M. Ben Amor, N. Beltaief, S. Adbelhak, et al., « Nouvelle mutation du gène CJB2 (c.405delC) responsable de surdité autosomique récessive découverte chez deux familles tunisiennes », Annales françaises d’oto-rhino-laryngologie et de pathologie cervico-faciale, vol. 131(4), pp. A161 – A162, 2014. doi:10.1016/j.aforl.2014.07.384
  26.  D. Cyranoski, “Russian ‘CRISPR-baby’ scientist has started editing genes in human eggs with goal of altering deaf genes”, Nature, vol. 574, pp. 465 – 466, 2019. doi:10.1038/d41586-019-03018-0
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