Le développement de la technologie CRISPR-Cas en 2012 a marqué une véritable révolution en biologie. Cependant, l'application efficace de la technologie n'est pas si évidente. De nouvelles variantes de la technologie garantissent que cela est en train de changer.
L'ADN est une sorte de catalogue extensif qui contient toutes les instructions qui déterminent les propriétés d'un organisme. Qu'il s'agisse de la couleur des yeux d'une personne, de la forme des feuilles d'une plante ou du type d'antibiotique auquel une bactérie résiste, ce sont toutes des caractéristiques qui sont fixées dans le code de l'ADN.
Une erreur à une seule position dans l'ADN peut provoquer un changement majeur tel qu'une maladie.
Ce code consiste en une séquence de 4 blocs de construction ou bases, qui sont indiqués par les lettres A, T, G et C. Dans le cas d'Escherichia coli , une bactérie intestinale chez l'homme et l'animal souvent étudiée comme organisme modèle en laboratoire, son code génétique comprend plus de 4,6 millions de positions ou paires de bases, alors que le génome humain est composé d'environ 6 milliards de paires de bases. Une erreur dans une seule de ces positions, aussi appelée mutation, peut entraîner une modification profonde de l'organisme. Par exemple, diverses maladies humaines sont le résultat de mutations, telles que la mucoviscidose ou la maladie de Huntington. Non seulement pour corriger ces erreurs, mais aussi pour mieux comprendre les informations stockées dans l'ADN, les scientifiques cherchent des moyens de modifier le code génétique. Les techniques qui étaient disponibles jusqu'à récemment se sont souvent avérées très chronophages et à forte intensité de main-d'œuvre. Par exemple, cela pourrait prendre plusieurs mois à six mois pour effectuer un seul changement dans l'ADN. Jusqu'au lancement de CRISPR sur le monde en 2012...
Le système CRISPR/Cas n'est donc rien de plus que le système immunitaire des bactéries.
Les bactéries peuvent être attaquées par des virus. Ils attaquent les bactéries pour se reproduire. Le virus injecte un morceau d'ADN dans la bactérie qui contient alors toutes les informations nécessaires pour construire de nouveaux virus. Pour se protéger, la bactérie devra donc détruire ce morceau d'ADN avant que les nouvelles particules virales ne se forment. Il y a quelque temps, on a découvert que les bactéries pouvaient se protéger contre ces virus grâce au système CRISPR/Cas. Le système CRISPR/Cas n'est donc en fait rien d'autre que le système immunitaire des bactéries, tout comme les gens ont aussi un système immunitaire pour se protéger contre les agents pathogènes.
Le système CRISPR extraira d'abord et avant tout des morceaux de l'ADN du virus étranger et les collera dans son propre ADN. Ces morceaux sont toujours collés dans la même région de l'ADN de la bactérie, également appelée région CRISPR. Cette région contient donc une collection de morceaux de tout l'ADN étranger avec lequel la bactérie est déjà entrée en contact et peut être utilisée pour reconnaître et neutraliser rapidement l'infection par les mêmes virus. Le morceau d'ADN stocké sert alors en quelque sorte de guide à la protéine Cas9, un ciseau moléculaire. Cas9 est capable de couper l'ADN à un endroit très spécifique qui est entièrement déterminé par le morceau qui a été précédemment extrait de l'ADN étranger. Ainsi, lorsqu'un virus est attaqué, le Cas9 sera guidé à travers le morceau d'ADN déjà stocké de ce virus dans sa région CRISPR et pourra très spécifiquement couper l'ADN injecté de ce virus. L'extrême précision de ce système et la possibilité de couper très spécifiquement un certain morceau d'ADN ont donné l'idée il y a quelques années aux chercheurs d'utiliser CRISPR/Cas pour la modification génétique dans d'autres organismes.
CRISPR/Cas ouvre des possibilités infinies pour modifier l'ADN.
Couper l'ADN pour la modification génétique ? En effet, cela semble un peu étrange à première vue. Le système original CRISPR/Cas dans les bactéries est destiné à couper l'ADN. Pourtant, nous pouvons l'utiliser pour la modification des gènes. Lorsque l'ADN d'un organisme est coupé, il fera tout ce qu'il peut pour réparer cette cassure, sinon l'organisme mourra. Cette réparation peut être effectuée en recollant les deux extrémités libres ensemble. Cependant, de nombreuses erreurs ne sont pas souhaitables si vous souhaitez apporter une modification spécifique. Heureusement, la cellule peut réparer la cassure de l'ADN d'une autre manière. Par exemple, la cellule peut utiliser un échantillon d'ADN pour restaurer l'endroit où il a été coupé. Cet échantillon d'ADN a des morceaux identiques à l'ADN d'origine avant et après le site de clivage. Par conséquent, il peut être reconnu et utilisé pour la récupération. En tant que chercheurs, nous pouvons désormais nous en servir nous-mêmes en apportant les modifications souhaitées à ce morceau d'ADN. De cette façon, nous pouvons changer une paire de bases, insérer des bits supplémentaires, supprimer des bits ou même changer la direction des bits. CRISPR/Cas ouvre ainsi des possibilités infinies de modification de l'ADN.
Les inventeurs Emmanuelle Charpentier, Jennifer Doudna et Feng Zhang ont eu l'idée d'utiliser les ciseaux moléculaires CRISPR/Cas de la bactérie pour couper l'ADN d'autres organismes tels que les plantes, les animaux et les humains. En 2012, les premiers rapports ont révélé que CRISPR/Cas pourrait être utilisé pour modifier le matériel génétique dans les cellules humaines. Ce fut le point de départ de la révolution CRISPR en biologie. Les recherches sur le système CRISPR ont explosé dans les années suivantes et l'utilisation de la technique a été démontrée dans de plus en plus d'organismes différents. De nombreuses entreprises ont été fondées pour commercialiser la technologie. CRISPR/Cas est également connu sous le nom de « découverte scientifique du siècle ». L'impact de CRISPR est si énorme que ses inventeurs ont eu la chance de remporter le prix Nobel au cours des deux dernières années, si ce n'est qu'il y a aussi une guerre frénétique des brevets entre eux pour décider qui détient les droits CRISPR.
De nombreuses maladies humaines sont causées par des mutations. Avec CRISPR, ces erreurs dans l'ADN pourraient être corrigées. CRISPR pourrait également offrir une solution pour divers types de cancer. Bien sûr, de nombreux problèmes éthiques entravent encore l'utilisation efficace de CRISPR pour la manipulation génétique des humains. Compte tenu de l'énorme puissance de CRISPR, il est très important que la technologie ne puisse être utilisée qu'à des fins éthiquement responsables. CRISPR a déjà été utilisé pour créer des cultures plus résistantes à la sécheresse ou aux agents pathogènes. Les algues ont également été manipulées pour optimiser la production de biocarburants. En raison de sa large applicabilité, des percées dans plusieurs autres domaines suivront dans un proche avenir.
L'utilisation de CRISPR semble facile. Bien entendu vous devez d'abord disposer des différentes parties :
Ce dernier morceau de code génétique est constitué d'environ 20 bases et correspond parfaitement à la séquence d'ADN où il doit couper Cas9. Pour effectuer un changement à un certain endroit de l'ADN, nous n'avons donc qu'à développer ces 20 bases de manière à ce qu'elles correspondent à cette position particulière.
Mais attention, car c'est là que le bât blesse. Supposons qu'une séquence soit présente ailleurs dans l'ADN dans laquelle, par exemple, 19 des 20 bases correspondent également à la séquence développée, alors le Cas9 y coupera probablement aussi. Cela conduit à des ruptures indésirables (également appelées «effets hors cible») à divers endroits de l'ADN. Lorsqu'il est appliqué dans des cellules humaines, cela peut mettre la vie en danger et même conduire au cancer, comme cela a été annoncé il y a quelques jours. De plus, développer l'exemple d'ADN pour la réparation n'est pas facile non plus. Le Cas9 peut ne pas recouper au même endroit après récupération de la première coupe. Souvent, beaucoup d'optimisation est nécessaire avant qu'un changement puisse être apporté à l'ADN. Ces étapes sont chronophages et constituent un frein à l'utilisation de CRISPR, par exemple à des fins pédagogiques.
Le laboratoire Michiels du KU Leuven Center for Microbial and Plant Genetics et du VIB-KU Leuven Center for Microbiology a développé une méthode CRISPR simplifiée pour la modification génétique de la bactérie Escherichia coli † Cette méthode combine la technique CRISPR/Cas avec Escherichia coli Collection Keïo. La collection Keio ? Eh bien, la collection Keio a été créée par une équipe internationale de chercheurs de l'Université Keio au Japon et de l'Université Purdue aux États-Unis et a été mise à disposition en 2006. Depuis lors, elle a été utilisée pour de nombreuses recherches sur la génétique des bactéries. La collection contient 3985 Escherichia coli variantes. Dans chacune de ces variantes, un gène spécifique a été éliminé en le remplaçant par un gène de résistance aux antibiotiques. C'est-à-dire que chacun de ces 3985 variants contient la même séquence d'ADN du gène de résistance aux antibiotiques, chaque fois à un endroit différent où le gène délété était situé à l'origine. C'est maintenant ce que nous avons utilisé dans notre méthode.
Avec la méthode CRISPR classique, vous devez développer et optimiser un nouveau morceau de code génétique (ARN guide) pour chaque nouvelle modification de gène afin que le Cas9 soit amené à l'endroit souhaité. Étant donné que chaque variante de la collection Keio possède le même morceau d'ADN (le gène de résistance aux antibiotiques), nous pouvons développer l'ARN guide de manière à ce qu'il coupe Cas9 sur cette séquence commune. De cette façon, nous pouvons toujours utiliser les mêmes parties pour effectuer des modifications génétiques à différents endroits. Vous pouvez en fait le décrire comme une méthode "taille unique". Supposons que vous souhaitiez effectuer un changement dans la génération X, vous pouvez le faire en quelques étapes simples :
La grande chose à propos de la méthode est que le gène de résistance aux antibiotiques est complètement remplacé par l'exemple d'ADN. Cela empêche le Cas9 de s'écrêter après la restauration. De plus, on peut facilement reconnaître les bactéries qui ont incorporé le changement du gène X car elles ne sont plus résistantes à l'antibiotique.
Pour utiliser cette méthode, les étapes d'optimisation chronophages ne sont plus nécessaires. En principe, il est possible d'obtenir la modification génétique souhaitée en seulement 2 jours. La méthode a déjà été utilisée avec succès par des étudiants en licence et en master d'ingénierie bioscientifique à la KU Leuven et des chercheurs et étudiants du Baylor College of Medicine (Texas, États-Unis) et de la McGovern Medical School (Texas, États-Unis). Pour l'instant, la méthode n'a été démontrée que sur la bactérie Escherichia coli , mais le principe de couper sur un morceau d'ADN commun peut être largement appliqué à d'autres organismes pour lesquels des collections génétiques existent, comme les levures et les mouches des fruits.
La méthode CRISPR simplifiée a été développée par Toon Swings (VIB-KU Leuven) en collaboration avec David C. Marciano (Baylor College of Medicine, Texas, États-Unis) et a été récemment publiée dans Nature Communications .
