L'invention de l'éditeur de gène CRISPR-Cas s'appelle une révolution en biologie. Les scientifiques promettent de l'utiliser pour améliorer les variétés végétales et les races animales pour l'agriculture, pour traiter les maladies génétiques congénitales chez l'homme. Le correspondant de RIA Novosti est allé voir qui et comment le génome est édité.
Le Centre d'édition du génome de l'Université d'État de Moscou a ouvert il y a un peu plus d'un an - sur le campus. Je suis accueilli par son directeur, le docteur en chimie Peter Sergiev, et pendant que nous montons dans l'ascenseur, il se consacre un peu à l'histoire du génie génétique.
«Le génome a déjà été modifié. Mais il était difficile de créer des outils pour cela, cela prenait du temps et le résultat n'était souvent pas ce que nous voulions », dit-il.
Dans le vivarium, Pyotr Vladimirovich se change en vêtements de laboratoire bleus, ils me donnent une salopette blanche jetable et me demandent d'essuyer l'appareil photo avec de l'alcool. Maintenant Petr Vladimirovich ressemble à un chirurgien, et moi - comme un assistant de laboratoire de la série "CSI - Crime Scene".
Dans le laboratoire stérile, un récipient contenant des œufs de souris fécondés et un tube à essai avec une solution d'ARN ont été préparés pour nous. C'est tout ce dont vous avez besoin pour l'édition du génome CRISPR-Cas.
CRISPR est un acronyme anglais pour une phrase qui signifie littéralement «de courtes répétitions palindromiques régulièrement groupées». En fait, ce ne sont que de petites sections de l'ADN des virus bactériophages incorporés dans le génome bactérien. Ces séquences sont nécessaires au fonctionnement du système immunitaire bactérien et servent en quelque sorte d'annonce «recherchée par la police». Si la bactérie survit après avoir été infectée par un bactériophage, elle utilise les enzymes de la protéine Cas pour couper un morceau de son ADN et l'insérer dans son génome pour être reconnu plus tard. Le génome bactérien hérite de cette bibliothèque «d'ennemis» soigneusement collectée par les générations précédentes.
En 2013, des scientifiques ont découvert que la protéine Cas fonctionne dans n'importe quel organisme, y compris les mammifères. Il est capable de faire des coupures directionnelles dans les deux brins de la molécule d'ADN et ainsi de modifier le génome.
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Manipulation des œufs
Petr Sergiev fabrique un capillaire en verre d'un diamètre de cent microns à la micro forge, y aspire un œuf et le transfère sous verre avec un milieu nutritif. L'échantillon fini est envoyé à la platine du microscope optique. Le moniteur affiche une image agrandie de l'œuf, tremblant à l'extrémité du capillaire. Deux taches arrondies se détachent - ce sont des pronuclei avec l'ADN de la mère et du père.
Le scientifique prépare un autre capillaire d'un ordre de grandeur plus petit en diamètre. Ceci est une seringue d'injection. Il recueille une solution contenant deux types d'ARN et, à l'aide de manipulateurs, perce doucement l'œuf. Ca y est, l'injection est faite.
L'ARN injecté dans l'œuf est nécessaire pour couper le génome à un endroit donné. Un type d'ARN contient une séquence de nucléotides strictement définie, similaire à celle que nous voulions changer. La tâche de cet ARN est de trouver la région correspondante dans l'ADN, il est donc appelé «guide». L'ARN du second type, matrice, est une sorte d'instruction pour la synthèse de la protéine nucléase Cas9. Cette protéine agit comme un catalyseur pour une réaction chimique qui rompt les liaisons phosphodiester entre des bases d'ADN bien définies. La molécule protéique ayant deux centres de nucléase, les deux brins d'ADN sont en outre ouverts à l'endroit dont les coordonnées Cas9 "comptait" avec l'ARN guide.
La molécule d'ADN perçoit la rupture des deux brins comme une rupture grave et cherche à la réparer. Les enzymes exonucléases flottant dans la cellule éliminent immédiatement plusieurs nucléotides des deux extrémités de la rupture. Cela suffit pour briser ou, comme le disent les généticiens, «désactiver» un gène.
Fonctionnement de l'éditeur génomique CRISPR-Cas9 / Illustration par RIA Novosti. Alina Polyanina.
Si une mutation dirigée est nécessaire, par exemple, il est nécessaire de marquer une protéine afin de la suivre dans le corps, puis une autre matrice est ajoutée au complexe à deux ARN sous la forme d'un ADN spécialement conçu. Il se compose de séquences identiques aux arêtes de la future coupure, et contient également la section à insérer. Une fois que Cas9 a coupé la molécule d'ADN, ses extrémités sont connectées à l'aide de cette matrice supplémentaire, de sorte que l'ensemble de nucléotides dont nous avons besoin est inséré dans la rupture.
«Nous pouvons attacher une petite queue à l'écureuil, ce qui permet de le retirer et de voir avec quoi il interagit. Nous pouvons insérer un gène, mais ce n'est pas aussi efficace que de l'éteindre », continue d'expliquer le scientifique.
OGM et chimères
L'ovule modifié sera transplanté dans le tube utérin d'une souris de substitution. Elle a vécu quelque temps avec un mâle dont les tubules séminifères étaient liés. Le couple avait une vie sexuelle normale, mais ne pouvait pas concevoir. Néanmoins, le corps de la souris croyait qu'elle était enceinte et formait le fond hormonal approprié pour elle. Maintenant, cette femelle porte le fœtus de quelqu'un d'autre.
Dans trois semaines, elle donnera naissance aux souris les plus ordinaires. Les scientifiques attendent que les rongeurs grandissent, leur prennent un petit morceau de leur queue et utilisent la PCR pour analyser le morceau d'ADN qu'ils ont édité. Une mutation ou un gène désactivé est retrouvé dans plus de la moitié des cas. La procédure inverse - insertion d'une séquence dans le génome - ne réussit pas plus de 10% des expériences.
Divers effets intéressants apparaissent lors de l'édition. Par exemple, des souris mosaïques, ou chimères, naissent, qui ont des cellules avec différentes variations des génomes maternel et paternel. Cas9 peut couper l'ADN plusieurs fois, mais l'ARN messager qui le code n'est pas éternel et la solution injectée disparaît simplement dans une série de divisions cellulaires. Parfois, l'éditeur se déclenche à nouveau après la fusion des pronuclei et le partage de l'œuf. Et comme la réparation de l'ADN après la rupture est toujours un processus aléatoire et que la guérison n'est jamais la même, certaines des cellules d'un organisme contiendront une autre mutation.
Pour la science et la médecine
Nous nous déplaçons dans la pièce adjacente pour regarder les résultats en direct des expériences d'édition du génome. Sur les étagères à gauche - conteneurs avec des souris génétiquement modifiées, à droite - avec des rongeurs communs pour le contrôle. Ils ont été cultivés, comme ceux de gauche, mais le génome n'a pas été manipulé. Des souris témoins sont nécessaires pour avoir une norme devant nos yeux et comparer les créatures obtenues dans l'expérience avec elle.
Pyotr Sergiev prend l'un des conteneurs avec une paire de souris grises. Extérieurement, ils sont tout à fait ordinaires, mais ils n'ont pas de progéniture. Le fait est que chez le mâle, le gène de l'une des ARN méthyltransférases, une enzyme produite uniquement dans le sperme, est désactivé. Les mâles avec un gène inactif naissent stériles. Le but exact du gène et de l'enzyme est encore inconnu. Pour le savoir, deux souches de souris ont été élevées en laboratoire: l'une avait un gène désactivé, l'autre avait une protéine marquée par un éditeur génomique.
«Une mutation de ce gène est également trouvée chez l'homme - alors un homme souffre d'infertilité. Mais tant que nous ne saurons pas pourquoi il est nécessaire, pourquoi il modifie l'ARN, nous ne pourrons pas aider ces patients », explique le scientifique.
En fait, nous ne connaissons toujours pas la fonction de la plupart des gènes humains. Le découvrir est une tâche fondamentale résolue par de nombreux groupes de recherche à travers le monde, y compris en Russie. Le génome de la souris est très similaire à celui des humains. On espère qu'avec l'aide de CRISPR-Cas, l'étude du génome de toute créature ira plus vite.
Le groupe de Sergiev avec N. N. NN Petrova s'est mis à la recherche de mutations conduisant à certains types de cancer. Les plans les plus proches comprennent un projet de création d'animaux génétiquement modifiés pour l'agriculture en coopération avec l'Institut panrusse de recherche sur l'élevage et l'Institut de biologie génétique de l'Académie russe des sciences.
«CRISPR-Cas est un outil fantastique qui vous permet de changer le génome à votre discrétion, pour être un peu de Dieu. En fin de compte, la tâche de la science est de comprendre comment fonctionne une créature aussi complexe comme un mammifère », explique le scientifique.
Résoudre les problèmes fondamentaux de la science est formidable, mais que va apporter cette technologie à la médecine? Dans un avenir prévisible, hélas, pas grand-chose. Il est facile de modifier un œuf et d'élever une souris génétiquement modifiée, mais il est impossible de corriger les gènes d'un animal adulte, sans parler d'un humain.
Les méthodes d'édition de l'ADN dans les cellules somatiques (c'est-à-dire déjà formées) sont encore très inefficaces. Afin d'introduire dans une cellule un gène désactivé par mutation et de le forcer à produire une certaine protéine, vous devez retirer certaines des cellules du corps, modifier l'ADN qu'elles contiennent et le remettre dans le corps. En principe, on espère que de cette manière, il sera possible de lutter contre des maladies telles que la dystrophie musculaire de Duchenne ou la fibrose kystique, lorsqu'il est nécessaire de restaurer la capacité de travail de certaines parties des cellules. Quant à la prédisposition au cancer, jusqu'à présent l'éditeur génomique est impuissant. Si un gène mutant est trouvé chez une personne, il se trouve dans toutes les cellules du corps. Il n'est pas réaliste de tous les changer. Et chaque cellule avec une mutation est une source de danger.
Mais même si CRISPR / Cas aidera à ne répondre qu'à quelques questions fondamentales et permettra le traitement de maladies génétiques rares, ce sera quand même un grand pas en avant pour l'humanité.
Tatiana Pichugina
