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Reportages

CRISPR: un scalpel génétique tout-puissant

Par Joël Leblanc - 22/09/2016
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Au début des années 2010, n’entrait pas qui voulait dans le laboratoire d’Emmanuelle Charpentier. De toute façon, personne ne voulait y aller. Sous haute sécurité et soumis à des protocoles très stricts, l’endroit hébergeait des colonies de Streptococcus pyogenes, l’infâme «bactérie mangeuse de chair». La chercheuse française, alors à l’université d’Umeå, en Suède, a confronté la bête pendant plus de trois ans. Le jeu en valait la chandelle, car le microbe cachait dans ses gènes un outil moléculaire ultra puissant que la professeure a réussi à dompter. D’une bactérie capable de tuer, elle a soutiré une biotechnologie qui sauvera des vies et qui est déjà au cœur d’une incroyable révolution dans le monde de l’ingénierie génétique: CRISPR/Cas9 – ou plus familièrement, dans l’intimité des labos, «CRISPR».

Prononcé à l’anglaise crisper, le nom sonne comme une marque de croustilles ou de chocolat. Il s’agit pourtant de l’outil le plus précis jamais conçu pour modifier les gènes à volonté. Depuis déjà trois ans, il est utilisé dans tous les laboratoires de biologie moléculaire du monde. Percée capitale, découverte fondamentale ou révolution, ces expressions surutilisées en science deviennent des euphémismes quand il est question de CRISPR qui a fait passer le génie génétique de l’âge de pierre à l’ère spatiale.

Emmanuelle Charpentier, qui est maintenant directrice de l’Institut Max-Planck de biologie infectieuse de Berlin, a codéveloppé cette biotechnologie avec Jennifer Doudna, professeure à l’université de Californie à Berkeley. On n’hésite pas à leur prédire un Nobel avant longtemps.

C’est que CRISPR ouvre toutes les portes aux généticiens. Se rendre à un endroit précis dans l’ADN de n’importe quel organisme vivant et modifier, éliminer ou ajouter un gène, ou même une petite partie d’un gène, est devenu un jeu d’enfant. Jamais de telles interventions n’ont été aussi rapides, précises et faciles – sans compter leur coût 100 fois moins élevé qu’avec les méthodes préexistantes. Au point même d’accélérer tout un mouvement de bio-pirates qui peuvent désormais s’amuser à faire du génie génétique dans leur sous-sol.

Arme naturelle

«Nous n’avons pas inventé cette technologie, concède Emmanuelle Charpentier. Le mécanisme existait déjà dans la nature, chez de nombreuses bactéries. Nous l’avons simplement détourné de sa fonction première qui est de défendre ces dernières contre les virus.» Il faut savoir que les bactéries, tout comme nous, peuvent être assaillies par des virus. On appelle ces virus des bactériophages, ou simplement des «phages».

Lorsqu’un phage attaque une bactérie, il s’y fixe et injecte son matériel génétique à l’intérieur, pour «pirater» la cellule. Cet ADN viral est lu par la machinerie cellulaire de la bactérie qui fabrique alors des centaines de copies du virus. De 20 à 30 minutes plus tard, la cellule détraquée, trop pleine, finit par éclater et libérer dans les environs tous ces nouveaux phages qui s’en prendront à leur tour aux bactéries voisines.

Mais plusieurs bactéries savent se défendre. Leur «système immunitaire» mémorise les tentatives d’agressions passées et les mate lorsqu’elles se présentent de nouveau. Ce système, c’est le fameux CRISPR, dont le mécanisme a été compris et décrit en 2007 par l’équipe de Sylvain Moineau, professeur titulaire au département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique de l’Université Laval, à Québec, et directeur de la Chaire de recherche du Canada sur les bactériophages (voir la Découverte de l'année Québec Science).

Dans son laboratoire, au sous-sol du pavillon de médecine dentaire de l’Université Laval, quelques bouteilles de champagne vides trônent sur une étagère, souvenirs de ces moments «eurêka» qui ont ponctué l’histoire récente de l’équipe. «Il y a presque 30 ans, rappelle Sylvain Moineau, des chercheurs japonais avaient repéré des séquences étranges dans l’ADN de bactéries E. coli. Il s’agissait de courtes sections d’ADN qui se répétaient à l’identique en plusieurs exemplaires dans le génome. Et toutes ces sections identiques étaient séparées par des sections tout aussi courtes, mais variables, qu’on a appelées spacers. Dans une même cellule bactérienne, on pouvait trouver 10, 15, 30 répétitions de la même section, toutes séparées par des séquences variables. On a par la suite trouvé cette même zone étrange chez d’autres espèces de bactéries, mais personne ne savait à quoi elle servait.»

Cette zone bizarre a reçu différentes appellations avant qu’on lui donne définitivement le nom de CRISPR, acronyme anglais pour Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats ou, en français, «courtes répétitions palindromiques regroupées et régulièrement espacées». Le qualificatif «palindromique» indique que les séquences d’ADN répétées sont identiques, qu’on les lise dans une direction ou dans l’autre, comme le mot kayak.

«En 2005, se rappelle Sylvain Moineau, j’ai été contacté par des microbiologistes de Danisco, la compagnie danoise de fromage et yogourt. Ils avaient repéré une zone CRISPR dans le génome des bactéries utilisées pour la fabrication de leurs produits. Mais surtout, ils avaient découvert que les spacers, entre les séquences identiques, correspondaient parfaitement à des séquences génétiques de virus qui attaquent couramment ces souches bactériennes. Ils soupçonnaient qu’il s’agissait d’un système immunitaire des bactéries et ils me demandaient d’en trouver le mécanisme.»

Virus défectueux

Deux ans plus tard, en 2007, les chercheurs de Danisco et de l’équipe de Sylvain Moineau publiaient le résultat de leurs travaux dans la prestigieuse revue Science. Dans l’ADN d’une bactérie, CRISPR est en fait une banque d’ADN viraux, stockés en mémoire par les ancêtres de la bactérie et transmis depuis plusieurs générations.

«Ce mécanisme est possible parce que certains virus peuvent être défectueux, explique Sylvain Moineau. Une bactérie agressée par un virus défaillant ne meurt pas. Elle intègre l’ADN du virus dans son propre génome, en le plaçant entre deux sections identiques d’ADN CRISPR.» Les différents spacers constituent donc, en quelque sorte, un archivage génétique des anciens ennemis. Ils sont tous «copiés» par la cellule, et y dérivent, comme autant de petits patrouilleurs. Mais ils ne patrouillent pas seuls.

«Nous avons aussi découvert que, sur le même brin d’ADN bactérien, un peu avant la zone CRISPR, se trouvent des gènes qui servent à produire des protéines particulières. Comme elles sont associées au CRISPR, ces protéines sont nommées Cas, pour CRISPR associated. Il en existe plusieurs, dont la Cas9», poursuit-il.

Or, ces protéines sont de véritables scalpels à ADN. Chaque « patrouilleur » (aussi appelé ARN-guide) s’associe à une protéine Cas9, formant un formidable attelage.  Si un virus connu se pointe et injecte son ADN dans la bactérie, le complexe CRISPR/Cas9 correspondant s’y attache. La protéine Cas9 fait alors son travail : elle sectionne l’ADN viral, ce qui le rend inopérant.

«La protéine Cas9 est redoutable pour couper avec précision un brin d’ADN, mais elle est aveugle: c’est son brin d’ARN-guide qui la positionne à l’endroit où il faut couper», précise Sylvain Moineau.

C’est ainsi que le chercheur de l’Université Laval a ouvert la voie au désormais célèbre outil génétique d’Emmanuelle Charpentier et de Jennifer Doudna. «Nous avons trouvé comment remplacer l’ARN-guide du complexe CRISPR/Cas9 par la séquence d’ARN de notre choix, afin qu’elle puisse s’apparier précisément n’importe où dans le génome de n’importe quel organisme, explique la professeure Charpentier, dont le travail a été publié dans Nature en 2011. Une fois à la bonne place, la protéine Cas9 fait son travail et coupe l’ADN à l’endroit voulu.» Un peu à la manière de la fonction «rechercher» dans un texte, qui permet de repérer un mot bien précis au milieu d’un paragraphe.

Très vite, dès 2013, plusieurs scientifiques s’emparent de ces ciseaux génétiques et montrent leur efficacité chez les souris, les levures, les plantes… et les cellules humaines.

En cisaillant ainsi l’ADN, l’outil permet de désactiver n’importe quel gène. Mais pas seulement: si on fournit en même temps un nouveau gène à la cellule, elle réparera son ADN brisé en y insérant ce nouveau code. De quoi modifier à volonté les génomes, réparer les gènes malades, les remplacer, ou permettre à un organisme de produire des protéines totalement nouvelles. Une véritable chirurgie génétique!

La panacée

Bien sûr, les chercheurs n’ont pas attendu CRISPR pour manipuler les génomes. Il y a quelques décennies déjà, ils y parvenaient en bombardant les cellules de microparticules enrobées d’ADN, en espérant que ce dernier se loge dans le génome. Un taux de succès de 1 sur 1000 était considéré comme excellent. Par la suite sont arrivées des techniques plus pointues, comme les enzymes à doigts de zinc ou les TALENs (en 2010), qui permettaient d’agir à des endroits précis du génome. Mais chaque nouvelle manipulation génétique nécessitait des mois, voire des années de travail. Pour exécuter une nouvelle modification, même minime, il fallait chaque fois repartir de zéro.

«L’avantage de CRISPR, explique Sylvain Moineau, c’est que la protéine Cas9 est toujours la même. Tout ce qui change, c’est le brin d’ARN-guide. Et ça, c’est facile à obtenir. Lorsqu’on connaît le gène à cibler, on peut acheter la séquence d’ARN appropriée et la recevoir en une ou deux semaines.»

Voilà pourquoi la méthode s’est propagée comme une traînée de poudre. Les start-ups n’ont pas tardé à bourgeonner, attirées par d’éventuels profits, et les annonces se sont multipliées. Une firme chinoise a modifié le génome d’un cochon afin de désactiver certains gènes responsables de sa croissance; destiné au marché des animaux de compagnie, l’animal ne dépasse pas la taille d’un beagle. En Californie, on veut immuniser des porcs contre la peste porcine africaine en insérant dans leur génome des gènes de phacochères, animaux qui portent le virus sans développer la maladie. Ailleurs, on tente de rendre des abeilles plus résistantes aux maladies pour renverser leur déclin. Dans un centre de recherche australien, on travaille à modifier le génome des poules afin qu’elles pondent des œufs ne causant pas d’allergies chez l’humain. À Boston, un chercheur ambitieux veut transformer des éléphants d’Asie en mammouths laineux, rien de moins.

Les espoirs suscités par CRISPR/Cas9 vont bien au-delà des espèces animales. Des levures pourraient être altérées pour produire efficacement des biocarburants à partir de déchets agricoles et limiter, voire éliminer, notre dépendance aux combustibles fossiles. En agriculture, on teste des céréales, des légumes et des légumineuses ayant le potentiel de résister aux ravages des insectes, des maladies et des sécheresses. Un champignon modifié par CRISPR pour brunir moins rapidement a déjà obtenu en avril le feu vert du gouvernement états-unien.

Et en médecine, tous les espoirs sont permis. Par exemple, CRISPR/Cas9 donne des munitions aux chercheurs qui, depuis des décennies, explorent l’idée de modifier génétiquement les moustiques dans le but d’empêcher la propagation de maladies comme la dengue, le paludisme ou le zika.

Au même moment, des laboratoires tentent de produire des cellules humaines résistantes au virus du sida. Ailleurs, on travaille sur la thérapie génique qui guérirait définitivement la fibrose kystique, l’hémophilie ou d’autres maladies génétiques. En juillet dernier, en Chine, un groupe de recherche annonçait le début d’essais sur l’humain pour vaincre le cancer du poumon en injectant chez des volontaires des cellules modifiées génétiquement par CRISPR/Cas9. Des essais similaires devraient débuter en 2017 aux États-Unis. Leucémies, alzheimer, dystrophies et autres affections pourraient enfin perdre du terrain face aux offensives de CRISPR...

Rêves et craintes

L’outil est d’autant plus puissant qu’il est versatile, malléable à l’envi, à la manière d’un couteau suisse. Ce qu’il révolutionne donc en premier lieu, c’est la vie des chercheurs qui peuvent désormais comprendre les fonctions des gènes, fabriquer des modèles animaux, rechercher et tester de nouvelles cibles thérapeutiques en un tournemain... Certains ont remanié la protéine Cas9 pour qu’elle ne coupe pas le gène cible, mais qu’elle stimule son activité ou au contraire l’inhibe, ou encore qu’elle agisse uniquement sous certaines conditions chimiques. D’autres ont même rendu Cas9 lumineuse, pour visualiser certaines régions du génome par imagerie.

«C’est là la grande force de CRISPR, s’enthousiasme Sylvain Moineau. On va enfin pouvoir connaître le rôle et la fonction des gènes pris un à un. En éteignant et rallumant un gène, on peut découvrir à quoi il sert dans une cellule. Le génome humain compte quelque 24000 gènes. Seule une petite partie de ce nombre a un rôle connu. Tout ça va changer rapidement.»

Parlez-en aux entreprises de biotechnologies pour lesquelles CRISPR est devenu le nouveau sésame. Feldan Therapeutics, par exemple, sise à Québec, exploite depuis peu le complexe CRISPR/Cas9. «Nous nous spécialisons dans les solutions permettant d’acheminer des substances à l’intérieur des cellules, explique David Guay, directeur de la recherche. Nous avons mis au point une molécule qui peut traverser la membrane d’une cellule et se retrouver intacte à l’intérieur. Le plus beau, c’est qu’on peut associer cette molécule à n’importe quoi, par exemple un complexe CRISPR/Cas9.»

Il faut savoir que le scalpel génétique a beau être efficace, les techniques permettant de l’administrer à l’intérieur des cellules sont encore imparfaites. Mais les choses progressent vite. C’est pourquoi François-Thomas Michaud, P.D.G. de Feldan, est convaincu que CRISPR est une mine d’or. «D’ici 20 ans, les retombées économiques mondiales de cette technologie se chiffreront entre 50 et 100 milliards de dollars par année», prédit-il. C’est le moins qu’on puisse attendre d’une technologie qui a le potentiel de tout guérir, ou presque.

Si l’engouement est immense, il amène son lot d’interrogations éthiques (voir la chronique de Normand Baillargeon sur Le retour de l'eugénisme). Les manipulations génétiques ne sont pas sans conséquence, surtout si elles sont effectuées sur un embryon: la modification s’inscrit alors dans toutes les cellules, y compris les cellules reproductives, et elle est transmise aux générations suivantes.

Jouer avec le génome humain est-il acceptable? Dans la «folie CRISPR», difficile de freiner les ardeurs. En avril 2015, après quelques semaines de rumeurs, des chercheurs de l’université Sun Yat-Sen à Canton, en Chine, ont confirmé avoir modifié génétiquement des embryons humains avec CRISPR/Cas9 afin de «corriger» les gènes responsables d’une grave maladie du sang, la bêta-thalassémie. Comme leur but n’était pas de créer des humains modifiés génétiquement, mais de tester l’efficacité de la méthode, ils ont mené leur expérience sur des embryons non viables. Ils ont démontré que l’outil reste imparfait : un nombre important de modifications génétiques ont surgi à des endroits non prévus.

Leur avancée a ravivé le débat éthique dans la communauté scientifique. En décembre dernier, à Washington, une conférence internationale a rassemblé des chercheurs ainsi que des philosophes états-uniens, canadiens, britanniques et chinois afin que tous puissent partager leur point de vue et parvenir à un consensus. Un rapport est attendu cette année. Mais pour l’heure, les règles varient d’un pays à l’autre. Le Canada, par exemple, interdit toute recherche sur des embryons humains. Aux États-Unis, aucun financement public n’est accordé à la recherche sur ceux-ci, mais aucune loi ne l’empêche non plus; alors que, au Royaume-Uni, l’édition génétique sur des embryons humains peut être autorisée en recherche, mais pas en clinique.

Science-fiction

Cela dit, tout le monde s’entend sur une chose: il faudra s’assurer de l’efficacité de la technique et de son innocuité avant de modifier pour de bon le génome humain. Des animaux modifiés par CRISPR/Cas9 semblent parfaitement normaux, mais le nombre d’essais demeure faible et les observations ne s’étirent que sur un ou deux ans. Les chercheurs en sont conscients et les comités d’éthique de leurs institutions veillent.

Toutefois, il y a un réel danger que des cliniques de fécondation in vitro tentent d’utiliser la technique prématurément pour éliminer des risques de maladie, mais aussi pour «améliorer» des traits aussi banals que la taille de l’enfant ou la couleur de ses yeux. Dans certains pays, incluant les États-Unis, ce ne serait pas illégal.

«La science n’est pas rendue là, tempère Sylvain Moineau. Pour modifier un caractère précis d’un organisme, il faut savoir quels sont le ou les gènes impliqués, et les remanier de la bonne façon. On est encore bien loin de posséder ce savoir. Prenez la taille: elle est probablement régie par plusieurs gènes, lesquels s’influencent les uns les autres, et il y a peut-être des mécanismes qui prennent la relève si un gène s’éteint. Pour le moment, cela demeure de la science-fiction.»

Qu’en pense la découvreuse de CRISPR/Cas9? «Les scénarios extrémistes présentés dans certains médias ne me font pas sourire, même s’ils sont souvent risibles, admet Emmanuelle Charpentier. Cette technologie très puissante est à la portée de plusieurs. J’espère une certaine sagesse de la part de l’humanité.»

À plus court terme, celle qui a déjà reçu une quinzaine de prestigieux prix pour ses accomplissements poursuit ses travaux, consciente qu’il n’y aura sûrement pas de deuxième moment CRISPR/Cas9 dans sa carrière. «Lorsque nous avons créé cette nouvelle technologie, nous savions que nous avions touché là quelque chose de gros, que ça aurait un impact sur la communauté scientifique et sur la recherche. Mais je n’étais pas prête à ce qui a suivi. Tous les médias du monde ne cessent d’en parler.» Preuve que CRISPR/Cas9 n’a pas fini de chatouiller les rêves et les peurs de l’humanité.

Illustration: Sébastien Thibault

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