Cas9

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Une structure du Cas9 de S. aureus dans un complexe avec un ARN guide et son ADN cible[1].

Cas9 (CRISPR associated protein 9) est une endonucléase, c'est-à-dire une enzyme spécialisée pour couper l'ADN avec deux zones de coupe actives, une pour chaque brin de la double hélice. Cette enzyme peut être utilisée en génie génétique pour modifier facilement et rapidement le génome des cellules animales et végétales. Ce genre d'outils existait depuis les années 1970 mais ils étaient bien moins efficaces et bien plus coûteux que Cas9.

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

Cas9 est associée aux séquences CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats ou « courtes répétitions palindromiques regroupées et régulièrement espacées ») dans l'immunité adaptative de Streptococcus pyogenes, parmi d'autres bactéries.

S. pyogenes utilise l'outil Cas9 pour détecter et défaire l'ADN étranger, tels que l'invasion de l'ADN de bacteriophages ou d'un ADN plasmidique. Cas9 effectue cette détection par déroulement de l'ADN étranger et la vérification de complémentarité avec la région longue d'espacement d'une vingtaine de paires de base de l'ARN guide. Si une séquence d'ADN est apparentée à l'ARN guide, Cas9 découpe l'ADN invasif. En ce sens, l'outil CRISPR/Cas9 a un certain nombre de ressemblances avec le mécanisme de l'interférence par ARN chez les eucaryotes[1].

Invention et brevetage[modifier | modifier le code]

La technique d'édition de génome CRISPR-Cas9 a été découverte par l'équipe de la chercheuse française Emmanuelle Charpentier à l'aide de l'américaine Jennifer Doudna. Elle a été par la suite développée à partir de 2012 par plusieurs chercheurs, dont notamment le biologiste moléculaire Feng Zhang, du Broad Institute (en) (associé à Harvard et au MIT). Berkeley conteste devant une commission d'appel du United States Patent and Trademark Office le brevet accordé au Broad Institute pour cette découverte [2]. Le 15 février 2017, l'United States Patent and Trademark Office a considéré que les brevets déposés par le Broad Institute sur l'usage de CRISPR/Cas9 dans le cas de cellules eucaryotes étaient valides. Pour autant, les revendications de l'Université de Berkeley (à l'origine des dépôts de brevets de Jennifer Doudna et d'Emmanuelle Charpentier) quant à l'emploi de CRISPR/Cas9 sur tous types de matériel génétique (y compris les cellules eucaryotes) n'ont pas été rejetées[3],[4].

Outil de génie génétique[modifier | modifier le code]

Outre sa fonction d'origine bactérienne dans l'immunité, la protéine Cas9 est utilisée comme un outil du génie génétique pour induire des cassures double brin dans l'ADN. Ces ruptures peuvent conduire à l'inactivation du gène ou à l'introduction de gènes hétérologues à travers deux types de réparation : la jonction d'extrémités non-homologues et la recombinaison homologue chez de nombreux organismes modèles de laboratoire.

Ce genre d'outil existait déjà avec les Transcription activator-like effector nucleases (TALEN) et les nucléases à doigt de zinc mais Cas9, grâce à son efficacité, sa rapidité et son faible coût devient un outil de premier plan dans le domaine de la thérapie génique.

La compréhension de l'outil CRISPR/Cas9 a progressé au cours des années 2010, car il peut découper pratiquement toutes les séquences complémentaires de l'ARN guide[5]. Grâce à la spécificité de la cible de Cas9 qui provient de l'ARN guide et de la complémentarité de l'ADN et non pas des modifications de la protéine elle-même (comme TALEN et les nucléases à doigt de zinc), l'outil Cas9 peut cibler un nouvel ADN assez facilement[6]. La souplesse de conception couplée avec les versions de Cas9 qui lient mais ne découpent pas d'ADN apparenté a aussi un potentiel pour la correction et désactivation des gènes en localisant l'activateur ou les répresseurs des séquences spécifiques d'ADN[7],[8]. Une simplification plus poussée a été fournie dans une étude inédite en 2012 qui représente la création d'un ARN chimérique de guidage unique, plutôt que l'ARN guide original composé de deux ARN disparates qui s'associent à de l'ARN-CRISPR, et la trans-activation de l'ARN[5]. Les scientifiques suggèrent que les lecteurs de gènes à la base de Cas9 peuvent être capables d'éditer les génomes de populations entières d'organismes[9]. Tout comme la révolution de la biologie moléculaire qui a accompagné la découverte des enzymes de restriction dans les années 1970, la « boîte à outils Cas9 » détient également un grand potentiel.

Applications[modifier | modifier le code]

Les premières applications ont été réalisées sur des animaux et notamment des primates[10]. Grâce à Crispr-Cas9 et son coût de développement réduit, des scientifiques ont déjà créé des vaches sans cornes (pour éviter qu'elles ne se blessent). D'autres prévoient de ressusciter des espèces disparues comme le mammouth par exemple[11].

Modification d'embryons humains[modifier | modifier le code]

Le , des chercheurs de Canton ont publié un article dans Protein & Cell (en) annonçant avoir utilisé la technique CRISPR/Cas9 pour modifier génétiquement des embryons humains[12]. Selon Junjiu Huang, qui a dirigé ces recherches, cet article aurait été refusé[13] par Science et Nature à cause des problèmes éthiques que posent de telles recherches. L'article note une sensitivité et une spécificité insuffisantes de la technique pour qu'elle puisse être utilisée en thérapie génique à ce stade[14].

En janvier 2016, la Grande-Bretagne autorise la manipulation génétique sur des embryons humains à l'Institut Francis Crick situé à Londres. Cela permettrait d'étudier le début du développement de l'embryon et d'identifier ce qui provoque la réussite ou l'échec d'une fécondation in vitro mais relance néanmoins le débat sur l'éthique et la finalité de telles études[15].

En décembre 2015, au vu des multiples questions de sécurité et d’éthique, un meeting organisé par l’Académie américaine des Sciences et de la Médecine, l’Académie Chinoise des Sciences, et la Société Royale de Londres, a recommandé un moratoire. Malgré cela, repoussant les accusations d'eugénisme, de nombreux bioéthiciens et scientifiques ont soutenu que si des anomalies dans des gènes particuliers causant des conditions fatales et débilitantes pouvaient être corrigées dans un embryon, alors elles devaient l’être[16].

Thérapie génique[modifier | modifier le code]

Grâce à CRISPR-Cas9, une équipe américaine a réussi à rendre un moustique résistant au paludisme et prévoit de le libérer dans la nature pour transmettre ce gène de résistance à l'ensemble de l'espèce évitant ainsi les 500 000 victimes humaines annuelles liées à cette maladie[17].

CRISPR-Cas9 ouvre également la voie à de nombreuses solutions de thérapie génique telles que la guérison du cancer, de la mucoviscidose, de l'hémophilie ou Alzheimer. En somme, "rendre les humains plus résistants" et rallonger notre espérance de vie[11]. Toutefois, concernant les premiers tests de lutte contre le SIDA, le VIH est parvenu à trouver la parade à la mutation induite et reprendre ainsi sa réplication. De plus, de nouvelles mutations sont apparues en des endroits proches de celui où étaient intervenus les chercheurs[18].

Des chercheurs chinois ont utilisé Crispr-Cas9 en août 2016 sur des patients atteints d'un cancer du poumon. C'est la première fois que Crispr sera utilisé sur des humains adultes. Lu You, oncologiste de l'université chinoise de Sichuan, va tenter de modifier les lymphocytes T des patients avec Crispr. Dans le cas de cancer, les cellules T n'attaquent pas les tumeurs, car elles n'arrivent pas à reconnaître en ces cellules malades des ennemis étrangers au corps humain. Les chercheurs chinois vont donc tenter d'extraire du patient ces cellules de défense, puis d'utiliser Crispr-Cas9 pour "couper" un gène bien particulier, appelé PD-1 pour lui permettre d'attaquer la tumeur. La cellule génétiquement modifiée sera ensuite multipliée in vitro, puis elles seront toutes réinjectées dans le corps du patient.

Aux États-Unis, un essai similaire est en attente d'une autorisation de la FDA, le gendarme américain de ce qui touche à la santé. L'autorisation pourrait arriver d'ici la fin de l'année.

Une start-up américaine spécialisée sur Crispr et financée par Bill Gates souhaite également réaliser ses premiers essais sur un être humain pour venir à bout d'une maladie rare touchant les yeux[19].

Améliorations variétales[modifier | modifier le code]

De nombreuses applications sont en cours pour la création et l'amélioration de variétés végétales[20].

L'utilisation du système CRISPR/Cas9 pour la sélection variétale permet d'accélérer et d'améliorer considérablement les méthodes utilisées actuellement par les créateurs de nouvelles variétés.

Des tolérances à des maladies sur le blé, le riz et le concombre sont déjà au point. La maturation chez la tomate peut être améliorée. Dans le futur, de nombreuses autres applications pourront se développer, tels des tolérances aux stress abiotiques (sécheresse, salinité, température,…), des facteurs de qualité améliorés (composés nutritionnels), ...

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. a et b Nishimasu, H., Ran, F., Hsu, P. D., Konermann, S., Shehata, S. I., Dohmae, N., ... & Nureki, O., « Crystal structure of Cas9 in complex with guide RNA and target DNA. », Cell, vol. 156(5),‎ , p. 935-949 (DOI 10.1016/j.cell.2014.02.001, lire en ligne).
  2. Kelly Servick, Accusations of errors and deception fly in CRISPR patent fight, Science, 8 mars 2016
  3. Sharon Begley,Broad Institute prevails in heated dispute over CRISPR patents, Stat, le 15 février 2017, consulté le 17 février 2017
  4. Sharon Begley6 Takeaways from the CRISPR Patent Decision, Scientific American, le 16 février 2017, consulté le 17 février 2017
  5. a et b Jinek, M.; Chylinski, K.; Fonfara, I.; Hauer, M.; Doudna, J. A.; Charpentier, E. (2012). A Programmable Dual-RNA-Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity. Science 337 (6096): 816–821. DOI:10.1126/science.1225829
  6. Mali, P; Esvelt, K. M.; Church, G. M. (2013). Cas9 as a versatile tool for engineering biology. Nature Methods 10 (10): 957–63. DOI:10.1038/nmeth.2649
  7. DOI:10.1038/nbt.2675
  8. DOI:10.1016/j.cell.2013.06.044
  9. DOI:10.7554/eLife.03401
  10. La recherche - La modification de l'ADN à la portée de tous - par Jean-Philippe Braly dans mensuel n°495 daté de janvier 2015 à la page 60
  11. a et b CRISPR-CAS9, une révolution biologique qui divise. JT de 20 h - France 2 - 8/03/16
  12. (en) « CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human tripronuclear zygotes » [PDF], sur link.springer.com
  13. Marie-Céline Jacquier, « Des embryons humains modifiés génétiquement par des chercheurs chinois », sur Futura-Sciences,‎
  14. Manipulation génétique sur l'embryon : une transgression inquiétante - Généthique 24/04/15
  15. Tristan Vey, « Des manipulations génétiques sur des embryons humains autorisées en Grande-Bretagne », sur lefigaro.fr,‎ (consulté le 1er février 2016).
  16. CRISPR-CAS9 : QU'EN DISENT LES PREMIERS CONCERNÉS ? synthèse de presse bioéthique -Généthique - 24/02/16
  17. Un moustique génétiquement modifié contre le paludisme - LE MONDE SCIENCE ET TECHNO - 25.01.2016
  18. Etude de l'Université McGill publiée par "Cell Reports" et Nature le 7 avril 2016.
  19. LA RÉVOLUTION CRISPR-CAS9 TESTÉE EN CHINE POUR SOIGNER LE CANCER DU POUMON - GRÉGORY ROZIÈRES - PUBLIÉ SUR LE HUFFINGTON POST LE 22 JUILLET 2016
  20. Le système CRISPR/Cas9 : Pour la compréhension du vivant et l’innovation variétale - Cécile Collonnier - Jardins de France N°644