L’avant CRISPR-cas 9 : les premiers pas de l’édition du génome


En pleine réflexion internationale sur un éventuel encadrement de CRISPR cas 9, Jacques Suaudeau revient sur l’historique de cette nouvelle technique d’édition du génome porteuse de multiples enjeux pour l’homme et l’embryon humain.  

 

Depuis qu’a été découverte la structure en double hélice de l’ADN (Watson et Crick, 1953), puis qu’a été déchiffré le « code génétique » (Niremberg et Matthaei, 1961), les chercheurs ont tenté de provoquer des changements dans le génome des cellules et des organismes soit pour étudier le fonctionnement et le rôle des différents gènes, soit pour corriger des anomalies au niveau de certains gènes, responsables de maladies héréditaires, soit pour faire fabriquer par l’ADN de l’animal étudié des protéines nouvelles –par exemple des protéines humaines, à usage thérapeutique.

 

 

  • La « chirurgie génétique » par la découverte des enzymes de restriction

Pour réaliser une telle « chirurgie génétique », les chercheurs avaient besoin de « ciseaux génétiques » pour couper les deux brins de l’ADN d’une cellule donneuse en des points précis, en vue d’insérer dans cet ADN des séquences étrangères ou d’y introduire des mutations. Ils trouvèrent de tels « ciseaux génétiques » dans les « enzymes[1] de restriction » ou « endonucléases de restriction », enzymes naturels, élaborés dans certaines bactéries. Ainsi naquit le "génie génétique" ou « ingénierie » génétique (Paul Berg, 1972).   

 

 

  • Les débuts de la thérapie génique : limites et impasse

Cette technologie dite  de « l’ADN recombinant » souleva alors de grandes frayeurs autant que des espoirs exagérés. Elle permit les débuts de la thérapie génique pour les corrections des maladies héréditaires (1990, W.French Anderson). Mais elle était limitée dans ses possibilités par le caractère aléatoire de l’insertion de la nouvelle séquence (ADN donneur) dans le génome (ADN receveur). Positionné au hasard dans le génome du receveur, la nouvelle séquence pouvait inactiver ou perturber le fonctionnement d’autres gènes ou être à l’origine d’effets indésirables (leucémies par exemple A.Fischer, M.Cavazzana-Calvo, 2002). De plus les manipulations ainsi effectuées étaient très longues car il fallait faire intervenir successivement plusieurs nucléases, chacune coupant l’ADN en un point prédéterminé. 

 

 

  • L’ingénierie génétique ciblée

Pour sortir de cette impasse, les chercheurs décidèrent de passer à une ingénierie génétique « ciblée » (gene targeting), où des nucléases[2] introduiraient, en des points précis, des cassures double brin dans l’ADN, suivies d’une réparation de l’ADN par le processus naturel de la « recombinaison homologue » (qui permet d’introduire des séquences d’ADN étranger en utilisant un ADN exogène servant de modèle) ou de la « jonction d’extrémités non homologues », (qui permet d’introduire des mutations (insertion/délétions[3]), en l’absence de séquence complémentaire disponible). Différentes approches furent tentées avant de trouver un système effectif par association d’une endonucléase[4] à une protéine capable de reconnaître de longues séquences de l’ADN (à cause de la présence dans cette protéine d’un domaine particulier d’affinité à certaines séquences de l’ADN).

 

Pour réaliser une telle « modification ciblée de génome » (genome editing) trois systèmes furent successivement proposés :

- les méganucléases[5] ou « nucléases homing » (1985),

- les nucléases à doigt de zinc (ZFNs) (1996) (groupe protéique à domaine à doigt de zinc permettant une reconnaissance de séquence, et endonucléase associée pour cliver l’ADN)

- les TALENs  (2010) (transcriptor activator-like effector nucleases) (effecteurs bactériens TAL capables de reconnaitre une séquence spécifique de l’ADN, combinés à une endonucléase).

 

Les nucléases à doigt de zinc (ZFNs) se sont révélées très effectives pour effectuer des modifications ciblées de génome (par exemple pour la thérapie génique) mais n’ont pas été largement adoptées car il faut construire une protéine spécifique pour chaque site ADN à cibler, et leur emploi n’est pas facile. Les TALENs fonctionnent avec une région de répétition dans laquelle on peut introduire de multiples résidus permettant de reconnaître de multiples séquences, simultanément, donc, à la limite, un gène tout entier. Elles sont plus faciles à construire que les ZFNs, et leur bas coût en font des outils excellents pour l’ingénierie du génome. Elles n’ont pourtant pas connu une large utilisation, à cause de la nécessité de construire les protéines spécifiques de séquences. De plus, ZFNs et TALENS  ont une certaine activité indésirable « hors cible ».

 

L’introduction en 2013 (Feng Zhang, George M Church, Jennifer Doudna), du mécanisme bactérien CRISPR-Cas dans la panoplie des outils de modification ciblée de génome a donc fait l’effet d’une véritable révolution.

 

Mais il faut noter que CRISPR-Cas9 provoque - comme les ZFNs et la TALENS des "effets hors cible" indésirables  (insertions/mutations et même délétions ou translocations chromosomiques). Si ceux-ci sont rares et en partie prévisibles, ils n'en sont pas moins fâcheux. Il ne faudrait donc pas utiliser la technique CRISPR-Cas9 (pas plus que les autres techniques de modification ciblée génomique actuellement disponibles) pour des modifications génétiques sur l'homme (y compris en thérapie génique somatique) tant que ces effets n'auront pas été sérieusement controlés.

 

 

Lire la suite : La révolution CRISPR-cas9 et ses « enjeux éthiques graves »

 

[1] Protéine dotée de propriétés catalytique.

[2] Une nucléase est une enzyme capable de couper l’ADN en des points précis.

[3]  «insertion», c’est à dire addition d’un ou de plusieurs nucléotides – « délétion » c’est à dire suppression d’un ou de plusieurs nucléotides

[4] Une endonucléase est une nucléase, qui coupe un acide nucléique en fragments plus courts. Les endonucléases sont capables de couper au milieu de la chaîne, par opposition aux exonucléases qui n'attaquent que les nucléotides situés aux extrémités des fragments.

[5] Les méganucléases sont des nucléases d'ADN qui se caractérisent par un site de reconnaissance de grande taille (des séquences d’ADN double-brin de 12 à 40 paires de bases), ce qui fait qu’il est généralement présent en un seul exemplaire dans un génome donné.