Un guide simple de CRISPR, l’une des plus grandes histoires scientifiques de la décennie

L’une des plus grandes et des plus importantes histoires scientifiques de ces dernières années sera probablement aussi l’une des plus grandes histoires scientifiques des prochaines années. C’est donc un moment comme un autre pour se familiariser avec la nouvelle technologie puissante d’édition de gènes connue sous le nom de CRISPR.

Si vous n’avez pas encore entendu parler de CRISPR, l’explication succincte est la suivante : Au cours des neuf dernières années, les scientifiques ont compris comment exploiter une bizarrerie du système immunitaire des bactéries pour modifier les gènes d’autres organismes – plantes, souris, voire humains. Grâce à CRISPR, ils peuvent désormais effectuer ces modifications rapidement et à moindre coût, en quelques jours plutôt qu’en plusieurs semaines ou mois. (La technologie est souvent connue sous le nom de CRISPR/Cas9, mais nous nous en tiendrons à CRISPR, prononcé « crisper ».)

Nous parlons d’un nouvel outil puissant pour contrôler les gènes qui s’expriment dans les plantes, les animaux et même les humains ; la capacité de supprimer des traits indésirables et, potentiellement, d’ajouter des traits désirables avec plus de précision que jamais auparavant.

Pour l’instant, les scientifiques l’ont utilisé pour réduire la gravité de la surdité génétique chez les souris, ce qui suggère qu’il pourrait un jour être utilisé pour traiter le même type de perte auditive chez les humains. Ils ont créé des champignons qui ne brunissent pas facilement et modifié des cellules de moelle osseuse chez des souris pour traiter l’anémie falciforme. Plus tard, CRISPR pourrait nous aider à développer des cultures tolérantes à la sécheresse et à créer de nouveaux antibiotiques puissants. CRISPR pourrait même un jour nous permettre d’éradiquer des populations entières de moustiques propageant la malaria ou de ressusciter des espèces autrefois éteintes comme la tourte voyageuse.

Une grande préoccupation est que si CRISPR est relativement simple et puissant, il n’est pas parfait. Les scientifiques ont récemment appris que l’approche de l’édition de gènes peut par inadvertance effacer et réarranger de larges pans d’ADN d’une manière qui peut mettre en danger la santé humaine. Cela fait suite à des études récentes montrant que les cellules modifiées par CRISPR peuvent déclencher un cancer par inadvertance. C’est pourquoi de nombreux scientifiques affirment que les expériences sur l’homme sont prématurées : Les risques et les incertitudes autour de la modification CRISPR sont extrêmement élevés.

Sur ce front, 2018 a apporté des nouvelles choquantes : en novembre, un scientifique en Chine, He Jiankui, a signalé qu’il avait créé les premiers bébés humains au monde avec des gènes modifiés par CRISPR : une paire de jumelles résistantes au VIH.

L’annonce a stupéfié les scientifiques du monde entier. Le directeur des National Institutes of Health, Francis Collins, a déclaré que l’expérience était « profondément troublante et piétinait les normes éthiques. »

Elle a également créé plus de questions qu’elle n’a apporté de réponses : Jiankui a-t-il réellement réussi son coup ? Mérite-t-il des éloges ou des condamnations ? Devons-nous freiner la recherche CRISPR ?

Alors que des chercheurs indépendants n’ont pas encore confirmé que Jiankui a réussi, d’autres applications CRISPR sont sur le point d’aboutir, qu’il s’agisse de nouvelles thérapies contre les maladies ou de nouvelles tactiques de lutte contre le paludisme. Voici donc un guide de base sur ce qu’est CRISPR et ce qu’il peut faire.

Qu’est-ce que CRISPR, de toute façon ?

Si l’on veut comprendre CRISPR, il faut remonter à 1987, lorsque des scientifiques japonais étudiant la bactérie E. coli ont découvert pour la première fois des séquences répétitives inhabituelles dans l’ADN de l’organisme. « La signification biologique de ces séquences, ont-ils écrit, est inconnue. Au fil du temps, d’autres chercheurs ont trouvé des grappes similaires dans l’ADN d’autres bactéries (et d’archées). Ils ont donné un nom à ces séquences : Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – ou CRISPR.

Pour autant, la fonction de ces séquences CRISPR était surtout un mystère jusqu’en 2007, lorsque des scientifiques de l’agroalimentaire étudiant la bactérie Streptococcus utilisée pour fabriquer le yaourt ont montré que ces étranges grappes avaient en fait une fonction vitale : Ils font partie du système immunitaire de la bactérie.

Voyez, les bactéries sont constamment attaquées par des virus, elles produisent donc des enzymes pour combattre les infections virales. Chaque fois que les enzymes d’une bactérie parviennent à tuer un virus envahisseur, d’autres petites enzymes arrivent, ramassent les restes du code génétique du virus et le découpent en petits morceaux. Les enzymes stockent ensuite ces fragments dans des espaces CRISPR dans le propre génome de la bactérie.

Vient maintenant la partie intelligente : Les espaces CRISPR agissent comme une galerie de voyous pour les virus, et les bactéries utilisent les informations génétiques stockées dans ces espaces pour repousser les attaques futures. Lorsqu’une nouvelle infection virale se produit, les bactéries produisent des enzymes d’attaque spéciales, appelées Cas9, qui transportent ces morceaux de code génétique viral stockés comme une photo d’identité judiciaire. Lorsque ces enzymes Cas9 rencontrent un virus, elles regardent si l’ARN du virus correspond à ce qui se trouve dans le portrait-robot. S’il y a une correspondance, l’enzyme Cas9 commence à hacher l’ADN du virus pour neutraliser la menace. Cela ressemble un peu à ceci :

Voilà donc ce que fait CRISPR/Cas9. Pendant un certain temps, ces découvertes n’intéressaient pas grand monde, à l’exception des microbiologistes – jusqu’à ce qu’une série d’autres percées se produisent.

Comment CRISPR a-t-il révolutionné l’édition de gènes ?

En 2011, Jennifer Doudna, de l’université de Californie Berkeley, et Emmanuelle Charpentier, de l’université d’Umeå en Suède, se demandaient comment le système CRISPR/Cas9 fonctionnait réellement. Comment l’enzyme Cas9 faisait-elle correspondre l’ARN des photos d’identité avec celui des virus ? Comment les enzymes savaient-elles quand commencer à hacher ?

Les scientifiques ont rapidement découvert qu’ils pouvaient « tromper » la protéine Cas9 en lui fournissant de l’ARN artificiel – un faux mug shot. Lorsqu’ils faisaient cela, l’enzyme recherchait tout ce qui avait ce même code, pas seulement les virus, et commençait à hacher. Dans un article de 2012 qui a fait date, Doudna, Charpentier et Martin Jinek ont montré qu’ils pouvaient utiliser ce système CRISPR/Cas9 pour découper n’importe quel génome à l’endroit qu’ils voulaient.

Bien que la technique n’ait été démontrée que sur des molécules dans des tubes à essai à ce moment-là, les implications étaient à couper le souffle.

D’autres avancées ont suivi. Feng Zhang, un scientifique du Broad Institute de Boston, a cosigné un article dans Science en février 2013 montrant que CRISPR/Cas9 pouvait être utilisé pour modifier les génomes de cellules de souris ou de cellules humaines en culture. Dans le même numéro de Science, George Church, de Harvard, et son équipe ont montré comment une technique CRISPR différente pouvait être utilisée pour modifier des cellules humaines.

Depuis lors, les chercheurs ont constaté que CRISPR/Cas9 est étonnamment polyvalent. Non seulement les scientifiques peuvent utiliser CRISPR pour « réduire au silence » des gènes en les coupant, mais ils peuvent aussi exploiter des enzymes de réparation pour substituer les gènes souhaités dans le « trou » laissé par les coupures (bien que cette dernière technique soit plus délicate à réaliser). Ainsi, par exemple, les scientifiques pourraient demander à l’enzyme Cas9 de couper un gène responsable de la maladie de Huntington et d’insérer un « bon » gène pour le remplacer.

L’édition de gènes en soi n’est pas nouvelle. Diverses techniques permettant d’assommer des gènes existent depuis des années. Ce qui rend CRISPR si révolutionnaire, c’est qu’il est si précis : L’enzyme Cas9 va généralement là où on lui dit d’aller. Et elle est incroyablement bon marché et facile : auparavant, la modification d’un gène aurait pu coûter des milliers de dollars et des semaines ou des mois de manipulations. Aujourd’hui, cela peut ne coûter que 75 dollars et ne prendre que quelques heures. Et cette technique a fonctionné sur tous les organismes sur lesquels elle a été essayée.

C’est maintenant l’un des domaines les plus chauds du moment. En 2011, il y avait moins de 100 articles publiés sur CRISPR. En 2018, il y en avait plus de 17 000 et plus encore, avec des perfectionnements de CRISPR, de nouvelles techniques de manipulation des gènes, des améliorations de la précision, et plus encore. « C’est devenu un domaine qui évolue tellement vite que j’ai même du mal à suivre maintenant », dit Doudna. « Nous arrivons au point où les efficacités de l’édition de gènes sont à des niveaux qui vont clairement être utiles sur le plan thérapeutique ainsi que pour un vaste nombre d’autres applications. »

Il y a également eu une intense bataille juridique pour savoir qui exactement devrait obtenir le crédit de cette technologie CRISPR et qui détient les droits potentiellement lucratifs. L’article de 2012 de Doudna à l’Université de Californie Berkeley était-il la percée, ou la recherche de 2013 de Zhang au Broad Institute était-elle l’avancée clé ? En septembre, une cour d’appel fédérale a rejeté les arguments de l’Université de Californie Berkeley selon lesquels l’école a des droits exclusifs sur les brevets CRISPR, confirmant les brevets du Broad Institute sur certaines applications CRISPR.

Mais l’important, c’est que CRISPR est arrivé.

Alors, à quoi pouvons-nous utiliser CRISPR ?

So. Beaucoup. Choses.

Paul Knoepfler, professeur associé à la faculté de médecine de l’UC Davis, a déclaré à Vox que CRISPR lui donne l’impression d’être « un enfant dans un magasin de bonbons ».

Au niveau le plus élémentaire, CRISPR peut permettre aux chercheurs de comprendre beaucoup plus facilement ce que font réellement différents gènes dans différents organismes – en éliminant, par exemple, des gènes individuels et en voyant quels traits sont affectés. C’est important : alors que nous disposons d’une « carte » complète du génome humain depuis 2003, nous ne savons pas vraiment quelle est la fonction de tous ces gènes. CRISPR peut aider à accélérer le dépistage du génome, et la recherche en génétique pourrait progresser massivement en conséquence.

Les chercheurs ont également découvert qu’il existe de nombreux CRISPR. Donc, CRISPR est en fait un terme assez large. « C’est comme le terme ‘fruit’ – il décrit toute une catégorie », a déclaré Zhang, de la Broad. Lorsque les gens parlent de CRISPR, ils font généralement référence au système CRISPR/Cas9 dont nous avons parlé ici. Mais ces dernières années, des chercheurs comme Zhang ont découvert d’autres types de protéines CRISPR qui fonctionnent également comme éditeurs de gènes. Cas13, par exemple, peut modifier l’ARN, la sœur de l’ADN. « Cas9 et Cas13 sont comme des pommes et des bananes », a ajouté Zhang.

Le vrai plaisir – et, potentiellement, les vrais risques – pourraient venir de l’utilisation des CRISPR pour éditer diverses plantes et animaux. Un article publié en 2016 dans Nature Biotechnology par Rodolphe Barrangou et Doudna a énuméré une flopée d’applications potentielles futures :

1) Modifier les cultures pour qu’elles soient plus nutritives : les phytotechniciens cherchent déjà à utiliser CRISPR pour modifier les gènes de diverses cultures afin de les rendre plus savoureuses ou plus nutritives ou de mieux survivre à la chaleur et au stress. Ils pourraient éventuellement utiliser CRISPR pour éliminer les allergènes des cacahuètes. Des chercheurs coréens cherchent à savoir si CRISPR pourrait aider les bananes à survivre à une maladie fongique mortelle. Certains scientifiques ont montré que CRISPR peut créer des vaches laitières sans cornes – une avancée considérable pour le bien-être des animaux.

Récemment, de grandes entreprises comme Monsanto et DuPont ont commencé à accorder des licences pour la technologie CRISPR, dans l’espoir de développer de précieuses nouvelles variétés de cultures. Si cette technique ne remplacera pas entièrement les techniques OGM traditionnelles, qui permettent de transplanter des gènes d’un organisme à l’autre, CRISPR est un nouvel outil polyvalent qui peut aider à identifier beaucoup plus rapidement les gènes associés aux caractéristiques souhaitées des cultures. Il pourrait également permettre aux scientifiques d’insérer les traits souhaités dans les cultures avec plus de précision que la sélection traditionnelle, qui est une façon beaucoup plus désordonnée de permuter les gènes.

« Avec l’édition du génome, nous pouvons absolument faire des choses que nous ne pouvions pas faire auparavant », déclare Pamela Ronald, généticienne des plantes à l’Université de Californie Davis. Cela dit, elle prévient que ce n’est qu’un des nombreux outils de modification des cultures qui existent – et réussir à créer de nouvelles variétés pourrait encore prendre des années de tests.

Il est également possible que ces nouveaux outils attirent la controverse. Les aliments dont quelques gènes ont été éliminés par CRISPR sont actuellement réglementés plus légèrement que les OGM traditionnels. Les décideurs politiques à Washington, DC, débattent actuellement pour savoir s’il serait judicieux de repenser cette réglementation. Cet article pour Ensia de Maywa Montenegro approfondit certains des débats que CRISPR soulève dans l’agriculture.

2) De nouveaux outils pour arrêter les maladies génétiques : Les scientifiques utilisent maintenant CRISPR/Cas9 pour modifier le génome humain et essayer d’assommer des maladies génétiques comme la cardiomyopathie hypertrophique. Ils envisagent également de l’utiliser sur les mutations à l’origine de la maladie de Huntington ou de la mucoviscidose, et parlent de l’essayer sur les mutations BRCA-1 et 2 liées aux cancers du sein et des ovaires. Les scientifiques ont même montré que CRISPR peut éliminer les infections par le VIH des cellules T.

Pour l’instant, cependant, les scientifiques n’ont testé cela que sur des cellules en laboratoire. Il y a encore quelques obstacles à surmonter avant que quiconque ne commence des essais cliniques sur des humains réels. Par exemple, les enzymes Cas9 peuvent parfois « mal tourner » et modifier l’ADN à des endroits inattendus, ce qui, dans les cellules humaines, pourrait entraîner un cancer ou même créer de nouvelles maladies. Comme l’a déclaré à STAT le généticien Allan Bradley, du Wellcome Sanger Institute en Angleterre, la capacité de CRISPR à faire des ravages sur l’ADN a été « sérieusement sous-estimée ».

Et bien qu’il y ait également eu des avancées majeures dans l’amélioration de la précision de CRISPR et la réduction de ces effets hors cible, les scientifiques appellent à la prudence sur les essais sur l’homme. C’est une grande raison pour laquelle les expériences de Jiankui visant à produire des bébés humains avec des génomes modifiés par CRISPR sont si controversées et alarmantes. Les chercheurs qui ont examiné les quelques résultats que Jiankui a révélés publiquement ont déclaré que les résultats montraient que les gènes des bébés n’avaient pas été modifiés avec précision. Il y a également beaucoup de travail à faire pour délivrer réellement les molécules d’édition à des cellules particulières – un défi majeur à l’avenir.

3) De nouveaux antibiotiques et antiviraux puissants : L’un des faits de santé publique les plus effrayants qui soient est que nous manquons d’antibiotiques efficaces car les bactéries développent une résistance à ces derniers. Actuellement, il est difficile et coûteux de développer de nouveaux antibiotiques pour les infections mortelles. Mais les systèmes CRISPR/Cas9 pourraient, en théorie, être développés pour éradiquer certaines bactéries avec plus de précision que jamais (même si, là encore, la mise au point des mécanismes d’administration sera un défi). D’autres chercheurs travaillent sur des systèmes CRISPR qui ciblent des virus comme le VIH et l’herpès.

4) Des lecteurs de gènes qui pourraient modifier des espèces entières : Les scientifiques ont également démontré que CRISPR pourrait être utilisé, en théorie, pour modifier non seulement un seul organisme mais une espèce entière. Il s’agit d’un concept déconcertant appelé « gene drive ».

Cela fonctionne comme suit : Normalement, chaque fois qu’un organisme comme une mouche à fruits s’accouple, il y a une chance sur deux qu’il transmette un gène donné à sa progéniture. Mais en utilisant CRISPR, les scientifiques peuvent modifier ces chances de sorte qu’il y ait presque 100 % de chances qu’un gène particulier soit transmis. En utilisant ce gene drive, les scientifiques pourraient s’assurer qu’un gène modifié se propage dans toute une population en peu de temps:

En exploitant cette technique, les scientifiques pourraient, par exemple, modifier génétiquement les moustiques pour qu’ils ne produisent que des descendants mâles – puis utiliser un lecteur de gènes pour faire passer ce trait dans toute une population. Avec le temps, la population s’éteindrait. « Ou vous pourriez simplement ajouter un gène les rendant résistants au parasite du paludisme, empêchant sa transmission aux humains », explique Dylan Matthews de Vox dans son article sur les lecteurs de gènes CRISPR pour le paludisme.

Il y a aussi des obstacles à surmonter avant que cette technologie ne soit déployée en masse – et pas nécessairement ceux auxquels on s’attendrait. « Le problème des lecteurs de gènes du paludisme devient rapidement un problème de politique et de gouvernance plus qu’un problème de biologie », écrit Matthews. Les régulateurs devront trouver comment gérer cette technologie, et les éthiciens devront se débattre avec des questions noueuses sur son équité.

5) Créer des « bébés sur mesure » : C’est celle qui retient le plus l’attention, et à juste titre. Il n’est pas tout à fait farfelu de penser que nous pourrions un jour avoir suffisamment confiance dans la sécurité de CRISPR pour l’utiliser afin de modifier le génome humain – pour éliminer les maladies, ou pour sélectionner des athlètes ou une intelligence supérieure.

Mais la récente tentative de Jiankui d’introduire une protection contre le VIH dans les embryons destinés à la grossesse, qui a impliqué peu de surveillance, n’est pas la façon dont la plupart des scientifiques veulent que le domaine avance.

La préoccupation est qu’il n’y a pas encore assez de garanties pour prévenir les dommages ni assez de connaissances pour faire un bien définitif. Dans le cas de Jiankui, il n’a pas non plus informé son université de son expérience à l’avance, n’a probablement pas pleinement informé les parents des bébés modifiés des risques encourus et a peut-être bénéficié d’une incitation financière de la part de ses deux sociétés de biotechnologie affiliées.

Nous ne sommes même pas proches du point où les scientifiques pourraient effectuer en toute sécurité les modifications complexes nécessaires pour, par exemple, améliorer l’intelligence, en partie parce que cela implique tellement de gènes. Alors ne rêvez pas encore de Gattaca.

« Je pense que la réalité est que nous ne comprenons pas encore suffisamment le génome humain, comment les gènes interagissent, quels gènes donnent lieu à certains traits, dans la plupart des cas, pour permettre l’édition pour l’amélioration aujourd’hui », a déclaré Doudna en 2015. Elle a tout de même ajouté :  » Cela changera avec le temps. « 

Attendez, devons-nous vraiment créer des bébés sur mesure ?

Compte tenu de toutes les questions épineuses associées à l’édition de gènes, de nombreux scientifiques préconisent ici une approche lente. Ils essaient également de garder la conversation sur cette technologie ouverte et transparente, de renforcer la confiance du public et d’éviter certaines des erreurs qui ont été commises avec les OGM. Mais avec la facilité d’utilisation et les faibles coûts de CRISPR, il est difficile de contrôler les expériences malhonnêtes.

En février 2017, un rapport de l’Académie nationale des sciences a déclaré que les essais cliniques pourraient être autorisés à l’avenir « pour des conditions graves sous une surveillance stricte ». Mais il a également précisé que « l’édition du génome à des fins d’amélioration ne devrait pas être autorisée pour le moment. »

La société doit encore se débattre avec toutes les considérations éthiques en jeu ici. Par exemple, si nous modifions une lignée germinale, les générations futures ne seraient pas en mesure de se retirer. Les modifications génétiques pourraient être difficiles à annuler. Même cette position a inquiété certains chercheurs, comme Francis Collins, des National Institutes of Health, qui a déclaré que le gouvernement américain ne financerait aucune édition génomique d’embryons humains.

En attendant, les chercheurs américains qui peuvent trouver leur propre financement, ainsi que d’autres au Royaume-Uni, en Suède et en Chine, vont de l’avant avec leurs propres expériences.

Lecture complémentaire

• Julia Belluz a discuté des implications de l’annonce surprenante de He Jiankui de bébés humains avec des génomes édités et des perspectives des cliniques CRISPR aux États-Unis.
• Nous avons également fait un reportage sur deux outils CRISPR qui surmontent les parties les plus effrayantes de l’édition de gènes.
• Ezra Klein a interviewé Jennifer Doudna de l’UC Berkeley, l’un des principaux chercheurs CRISPR, sur son podcast en octobre.
• Michael Specter’s « Rewriting the Code of Life » dans le New Yorker.
• Carl Zimmer a été sur le beat CRISPR depuis longtemps. Son article de 2015 dans Quanta vaut la peine d’être lu.
• Sharon Begley a également été sur le beat CRISPR, et a récemment déballé les dernières études sur les méfaits potentiels de l’édition de gènes.
• En 2016, Nature a exploré certaines des limites subtiles de CRISPR – et la recherche d’outils d’édition de gènes supplémentaires. Et cet article antérieur de Nature par Heidi Ledford est une plongée délicieusement loufoque dans les façons dont les chercheurs pourraient utiliser CRISPR pour explorer le génome. Il vaut également la peine de consulter ce document qui énumère toutes les applications futures de CRISPR.