Édition génomique

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La correction de séquence génomique (Genome Editing pour les anglophones) ou « correction du génome avec des nucléases modifiées » aussi désigné par l’acronyme GEEN, pour « genome editing with engineered nucleases »), ou souvent improprement appelée édition génomique (expression à éviter car le mot anglais "editing" ne peut se traduire par édition), ou encore parfois dite édition génétique (mais cette expression est à éviter car ayant d’autres sens[1]) regroupe un ensemble de techniques de manipulations du génome via la « réécriture du matériel génétique » [2], qui peut être appliqué aux plantes, animaux[3], champignons et microbes, et que certains laboratoires proposent d’aussi appliquer au génome humain.

Ces techniques sont plus précises que les premières techniques de génie génétique (où les modifications étaient en grandes parties faites au hasard dans le génome). Elles sont utilisées par des laboratoires pour produire des organismes génétiquement modifiés sans avoir recours à la transgénèse, pour des modifications plus précises et parfois avec l’espoir de ne pas soulever les mêmes réticences et controverses que les premières générations d’OGM, ou pour profiter de la législation de certains pays qui contient un vide juridique pour ce type d'organisme en quelque sorte modifiés à partir d'eux-même par simple réécriture du code génétique.
Elles pourraient aussi être appliquées à l'être humain dans l’objectif de réparer des génomes porteurs de mutations délétères[4] ou pour certains avec une volonté d’améliorer le génome humain, par exemple dans le contexte du transhumanisme ou du post-humanisme.

Cette technique encore émergente peut potentiellement « révolutionner la médecine personnalisée et la thérapie génique », ce pourquoi elle avait été mise en valeur par Nature Methods comme « méthode de l'année » en 2011[5], mais elles ont aussi rapidement suscité un appât du gain et des mouvements de privatisation aux États-Unis notamment, avec de nombreuses sociétés et start-ups qui ayant « saisi le potentiel de la technologie CRISPR » ont déclenché une « guerre des brevets »[6]. Face à cette évolution, plusieurs groupes de scientifiques ont en 2015 publiquement attiré l’attention sur des dérives possible ou en cours concernant des utilisations non-éthiques de ces techniques[7],[8]. De plus, des interrogations persistent quant aux impacts de la spécificité relative de chaque nucléase ou d’effets inattendus ou indésirables de l'utilisation de vecteurs pour le transfert de ces enzymes à l'intérieur des cellules et des organismes[9]. Ainsi, si l'ADN d’un génome est traité avec une endonucléase de restriction particulière, de nombreuses cassures double brin (CDB) pourront être créés en différents points du génome, ce qui peut être dangereux pour la cellule (effet mutagène). La plupart des enzymes de restriction reconnaissent et ciblent en effet plusieurs paires de base sur l'ADN, et il est très probable que la combinaison de paires de bases particulière se trouve en de nombreux endroits du génome. C’est pour surmonter ce défi et pouvoir cibler plus spécifiquement certains sites que de nouvelles classes distinctes de nucléases ont été créées (par génie génétique) à ce jour (voir plus bas).

Éléments de définition : la notion de correction dans le domaine de la chimie biomoléculaire[modifier | modifier le code]

Le processus de correction a d’abord été observé sur les ARN, en 1986 chez des organismes unicellulaires flagellés, les trypanosomes[10]. Selon C.Marchand (2009) [11] « on définit par édition des ARN, l’ensemble des processus qui produisent des transcrits dont la séquence et l'information sont différentes de celles portées par le gène correspondant. Ces altérations peuvent être des insertions/délétions de bases ou des modifications de bases par désamination. Elles peuvent conduire à des changements d’acides aminés, la création de codons d’initiation ou de terminaison de la traduction, la création de nouveaux cadres de lecture. L’édition peut aussi influer sur la maturation ou l’épissage des ARN. Cette découverte du processus d’édition des ARN a été fondamentale, dans la mesure où elle a remis en question le dogme selon lequel l’information contenue dans le génome est transmise de manière linéaire jusqu’aux protéines ».

Le même processus a été découvert plus récemment dans les ADN, y compris chez l’homme où une famille d’enzymes dits APOBEC3, peut modifier l’ADN (par désamination, observée tant sur les ARN que sur les ADN).

Ces enzymes sont donc mutagènes et en tant que tels sont un danger pour la cellule, mais le processus - tant qu’il est contrôlé par l’organisme - semble être l’un des mécanismes de défense cellulaire : selon Harris et al. (2002)[12] et Petersen-Mahrt & Neuberger, 2003[13], il permet d’éviter l’invasion du génome humain par des gènes exogènes. L’enzyme n’agit pas seul mais avec l’aide d’une ou plusieurs protéines qui l’aident à cibler le point de l’ADN où il agira (« l’ensemble formant un complexe appelé éditosome »[11].

Principes de base de la correction en tant que technique de génie génétique[modifier | modifier le code]

Les techniques de correction de génome regroupent des techniques de génie génétique dans lesquelles un ou plusieurs morceaux d'ADN sont insérés, remplacés ou retirés d'un génome en utilisant des nucléases artificiellement modifiées (dites «ciseaux moléculaires»). Le mot anglais « editing » évoque le vocabulaire de l’informatique où la fonction « couper-coller » peut métaphoriquement aussi évoquer les « ciseaux moléculaires » maintenant couramment utilisés par l’ingénierie biomoléculaire (en).

Ces ciseaux sont des nucléases ; des enzymes de restriction qui peuvent sectionner le double-brin d’ADN à des emplacements précis, coupures auxquelles les cellules répondent par des mécanismes de réparation de l'ADN. Ici, l’ingénieur biomoléculaire cherche à bénéficier de deux mécanismes « naturels » de recombinaison que l’on sait maintenant de mieux en mieux contrôler : un mécanisme d’autoréparation du double brin d’ADN ; et une potentialité endogène à la cellule (mécanisme très mobilisé par les microbes qui évoluent rapidement et/ou sont capables d'échanger horizontalement des gènes, tels que les bactéries), qui est une capacité à recoller des morceaux d’ADN dans un ordre nouveau.

Pour le génie génétique, ces deux mécanismes sont dénommés ;

  1. la recombinaison homologue (RH) ; c’est un type de recombinaison génétique où les séquences de nucléotides sont échangées entre des molécules d'ADN identiques ou similaire. Ce mécanisme est aussi à l’œuvre lors du processus de méiose, par lequel les eucaryotes créent des gamètes et de nouvelles combinaisons génétiques ;
  2. la jonction d'extrémités non homologues ; c’est un mécanisme « non-conservatif » (contrairement à la réparation par recombinaison) c'est-à-dire qu'il ne restaure pas la séquence initiale de l'ADN; mais seulement la continuité de l'ADN endommagé par une cassure double brin. Cette « réparation » permet ainsi de changer l'information génétique, en général via une délétion ou l’apposition d’un gène qui en active ou en inactive un autre ou plusieurs autres, et donc possiblement à l'apparition d'une mutation pour le gène concerné (si la cassure survient à l'intérieur d'un gène).

Les outils de base de la correction génomique : les ciseaux biomoléculaires[modifier | modifier le code]

Quatre familles de nucléases modifiées ont été développées en laboratoire et sont de plus en plus utilisées en génie génétique[14],[3],[15] :

  1. Nucléase à doigt de zinc (Zinc finger nucleases ou ZFNs)[16] ;
  2. Nucléases effectrices de type activateur de transcription (Transcription activator-like effector nuclease ou TALENs) ;
  3. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats ou CRISPR/Cas system ; une technique qui a suscité beaucoup d’espoir suite à des progrès techniques au début des années 2010[17], et qui a aussi déclenché une course aux brevets[18],[19],[20] ;
  4. Méganucléase (engineered meganuclease re-engineered homing endonucleases) conçues par genie génétique pour reconnaitre et cibler des sequences spécifiques du genome.

Ces outils biomoléculaires ont d’abord été utilisés (et ils le sont aujourd’hui couramment) pour l'analyse génétique, généralement afin de comprendre la fonction dans l’organisme ou le génome d'un gène, d'un groupe de gènes ou d’une protéine codée par ces gènes.

Chez certains organismes, il reste difficile voire impossible d'effectuer une mutagenèse spécifique d'un site ; on utilise alors des méthodes «  indirectes » telles que des moyens de rendre silencieux un gène d'intérêt, par interférence par ARN (siRNA)[21], mais la perturbation et mise en silence du gène par siRNA peut être instable ou incomplète.

La correction génomique utilisant des nucléases telles que la ZFN diffère de l'ARNsi en ce que la nucléase utilisée est normalement capable de définitivement modifier l'ADN et peut donc, en principe, inactiver n’importe quelle cible dans le génome, et/ou théoriquement introduire une modification des séquences endogènes pour des gènes qui sont impossibles à cibler spécifiquement par l’ARNi classique.

Les méganucléases[modifier | modifier le code]

Ces enzymes cytotoxiques sont naturellement et couramment produites par certaines espèces microbiennes ; elles permettent par exemple à des bactéries de détruire des cellules qu’elles infectent ou qui les attaquent. Elles présentent une particularité unique qui les a rendu intéressantes pour les biotechnologues, qui est qu’elles ciblent dans le génome des séquences de reconnaissance très longues (> 14 pb) ce qui les rend ainsi naturellement très « spécifique »[22],[23]. Hélas, au début des années 2000, seules un petit nombre de méganucléases naturelles était connu, loin de pouvoir couvrir toutes les séquences cibles possibles utile à la médecine ou recherchées par l’industrie des biotechnologies[23].
Des techniques de mutagenèse et des méthodes d’analyse à haut débit ont alors été utilisées pour créer diverses variantes de méganucléases capables de reconnaissent des séquences d’intérêt médical, scientifique ou commercial[23].

Une autre piste, qui a donné certains résultats a consisté à fusionner divers méganucléases existantes pour créer des « enzymes hybrides » ciblant une nouvelle séquence[24]. Des biotechnologistes ont aussi tenté de modifier des méganucléases existantes pour qu’elles reconnaissent des séquences génétiques spécifiques, via un procédé dit « méganucléase rationnellement conçu » (brevet US 8,021,867 B2).

L’introduction contrôlée d’une méganucléase dans une cellule serait moins toxiques pour la cellule que l’utilisation de procédés de type ZFN, probablement en raison d’une meilleure reconnaissance de la séquence d'ADN recherchée[23]; mais, la construction artificielle de telles enzymes spécifiques est longue et coûteuse et ne bénéficie pas des possibilités combinatoires qui sont celles des méthodes concurrentes telles que ZFN et TALENs.

Les avantages et inconvénients respectifs des diverses méthodes ne sont pas encore clairs et pourraient encore évoluer au gré des avancées scientifiques et techniques.

Les outils ZFN et TALENs[modifier | modifier le code]

Ils sont basés sur un autre concept opérationnel : ces enzymes coupeurs d’ADN sont non spécifique, mais le deviennent plus si on peut les lier à des peptides capables de reconnaître de séquences d’intérêt dans l’ADN (ex : « doigts de zinc » ou effecteurs dits « transcription activator-like ») [25].

Pour cela il fallait trouver une endonucléase dont la partie consacrée à la « reconnaissance de l'ADN » était différente de la partie responsable du clivage de l’ADN, une situation rare parmi des enzymes de restriction connus[25] et pouvoir séparer les deux parties de cet enzyme pour conserver la paire de ciseaux et l’accrocher à une autre molécule jouant le rôle de tête chercheuse. Un tel enzyme a été trouvé à la fin des années 1980 : un enzyme de restriction trouvé chez une flavobactérie (Flavobacterium okeanokoites[26], et pour cette raison dénommé « FokI »[27]). Cet enzyme a en outre l'avantage de nécessiter une dimérisation pour avoir une activité nucléase[28], ce qui a permis d’augmenter spectaculairement sa spécificité et de le convertir en enzyme de restriction presque universel[29],[30],[31].

Risques et controverses[modifier | modifier le code]

Comme d’autres méthodes de manipulation du génome, cette technique (en particulier si la correction génomique devait être appliquée à l’homme sans cadres éthique et réglementaire spécifiques) fait l’objet de controverses.

Ainsi deux groupes de scientifiques ont respectivement publié en 2015 dans les la revue Science[7] et dans la revue Nature[8] un appel à moratoire dans le domaine de la correction génomique appliquée au génome humain (y compris par des manipulations portant sur les gènes présents dans le sperme, les ovules et les embryons humains, car si les ciseaux à ADN permettent théoriquement de combattre certaines maladies par la thérapie génique[20], ils permettent aussi (par n’importe quelle personne ayant une simple « formation de base à la biologie moléculaire ») d’introduire des informations génétiques nouvelles, et éventuellement délétères.

Ces scientifiques estiment que le bond technologique récent qui nous permet de facilement modifier notre patrimoine génétique et celui d’autres êtres vivants (éventuellement disparus) doit faire l’objet de réflexions éthiques approfondies (ils s’inquiètent par exemple de rumeurs qui laissent penser que des chercheurs chinois ont expérimenté des modifications de génomes sur des bébés humains et de voire des exemples comme la proposition faite en 2012 par George Church promoteur de la biologie de synthèse de reconstituer intégralement le génome de l’homme de Néandertal à partir de celui de l’Homo Sapiens[32]. Ces chercheurs craignent que la « mauvaise publicité » faite par de telles expériences puisse engendrer dans le public et chez les décideurs des réactions d’hostilité à ces techniques, y compris pour des usages légitimes (thérapie génique).

Dans les commentaires respectivement publiés en ligne dans Science le 19 mars 2015 et dans Nature le 12 mars 2015, ces deux groupes de chercheurs font des propositions de mesures à prendre par la communauté scientifique pour constituer un cadre éthique et sécurisé à ces biotechnologies émergentes.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

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Notes et références[modifier | modifier le code]

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  7. a et b Embryo engineering alarm, researchers call for restraint in genome editing, Science
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