Le génie génétique ouvre à l'humanité des opportunités de créer des organismes auparavant inexistants et de détruire des maladies génétiques. Cependant, les choses ne sont pas si roses, car même la technologie révolutionnaire CRISPR / Cas9 est loin d'être parfaite. Les erreurs qu'elle commet peuvent être rares, mais une seule suffit pour devenir fatale à une personne. Lenta.ru parle de ce qui ne va pas avec CRISPR et de la façon dont les scientifiques tentent de corriger la situation.
Le système CRISPR / Cas9 - une sorte de ciseaux à ADN - est à juste titre considéré comme une révolution dans le domaine du génie génétique. Avec son aide, les scientifiques peuvent modifier le génome humain, en supprimant les mutations nuisibles, et ainsi traiter les maladies héréditaires désagréables et mortelles. Il ne faut cependant pas penser qu'il n'existait pas auparavant de telles méthodes. Dans l'arsenal des généticiens se trouvaient, par exemple, des nucléases contenant des «doigts» de zinc et des endonucléases - des enzymes qui cassent les molécules d'ADN à des endroits spécifiques. En termes de précision, de polyvalence et de coût, ils sont nettement inférieurs à CRISPR / Cas9, bien que ce dernier soit loin d'être parfait.
CRISPR / Cas9 a été créé à l'origine non par des scientifiques, mais par la nature. C'est un mécanisme moléculaire à l'intérieur des bactéries qui leur permet de combattre les bactériophages et autres parasites. En fait, cela fonctionne comme une immunité contre les infections. CRISPR (signifie "courtes répétitions palindromiques, régulièrement espacées en groupes") sont des régions spéciales (loci) d'ADN. Ils contiennent de courts fragments de virus à ADN qui ont autrefois infecté les ancêtres des bactéries d'aujourd'hui, mais qui ont été vaincus par leurs défenses internes. Ces pièces sont appelées entretoises et sont séparées les unes des autres par des séquences répétées.
Lorsqu'un bactériophage envahit une bactérie, chaque séquence répétitive et espaceur adjacent sont utilisés comme matrice pour la synthèse de molécules appelées ARNr. De nombreuses chaînes d'ARN différentes se forment, elles se lient à la protéine Cas9, dont la tâche est extrêmement simple: couper l'ADN du virus. Cependant, il ne pourra le faire qu'après que l'ARNr aura trouvé un fragment complémentaire d'ADN viral. Après que Cas9 brise l'acide nucléique étranger, ce dernier est complètement détruit par d'autres nucléases.
CRISPR / Cas9 est bon précisément pour sa précision, car pour les bactéries, le bon fonctionnement du système immunitaire est une question de vie ou de mort. Le système «anti-virus» a besoin de trouver une section d'ADN viral parmi un million d'autres et surtout de ne pas la confondre avec son propre génome. Au cours de millions d'années d'évolution, les bactéries ont perfectionné ce mécanisme. Donc, juste après avoir compris pourquoi un système CRISPR était nécessaire, ils ont réalisé qu'il pouvait être apprivoisé comme un outil d'édition de gènes d'une précision sans précédent.
Pour remplacer une région spécifique du génome par une autre, il est nécessaire de synthétiser l'ARN guide, qui est en principe similaire à l'ARNr. Il indique à Cas9 où il est nécessaire de faire une rupture double brin dans l'ADN de l'organisme modifié. Cependant, nous n'avons pas besoin de gâcher le gène, mais de le modifier - par exemple, remplacer un ou plusieurs nucléotides et supprimer la mutation nuisible. Ici, la nature vient à nouveau à la rescousse. Les mécanismes de réparation naturels commencent immédiatement à restaurer la chaîne coupée. L'astuce est que pour cela, certains fragments d'ARN sont retirés près de la coupure, après quoi des séquences similaires y sont insérées. Les scientifiques peuvent les remplacer par leurs propres séquences d'ADN et ainsi modifier le génome.
Représentation schématique de CRISPR
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Image: Kaidor / Wikipedia
Cependant, rien n'est parfait. Malgré la précision relative, les systèmes CRISPR font parfois des erreurs. L'une des raisons tient à la nature même du système. Il est désavantageux pour les bactéries que l'ARNr coïncide à 100% avec un fragment d'ADN viral, qui peut différer d'un ou deux nucléotides. Il vaut mieux pour elle que certains nucléotides puissent être différents, ce qui donne au micro-organisme une meilleure chance de combattre l'infection. Dans le même temps, en génie génétique, une faible spécificité menace des erreurs: des changements peuvent être apportés au mauvais endroit. Si cela se produit au cours d'expériences sur des souris, il n'y a pas de tragédie particulière, mais la modification du génome humain pourrait se transformer en catastrophe.
Ceci explique l'inquiétude des scientifiques occidentaux face aux expériences qui sont menées en Chine. Des chercheurs asiatiques ont utilisé la technologie CRISPR pour modifier génétiquement des embryons humains. De telles expériences ont été interdites en Europe et aux États-Unis, mais récemment le Royaume-Uni les a autorisées - uniquement à des fins de recherche. Ces embryons devront être détruits dans quelques semaines après leur réception, ce qui exclut la "reproduction" des personnes GM.
Cependant, CRISPR / Cas9 ne serait pas si génial s'il ne pouvait pas être amélioré. Ainsi, les scientifiques ont appris à Cas9 à couper non pas deux chaînes à la fois, mais une seule. La coupure est faite à deux endroits différents dans la séquence d'ADN sur différents brins, de sorte que le système doit être capable de reconnaître deux fois plus de nucléotides que la normale, ce qui le rend plus précis.
Protéine Cas et ARNr
Photo: Thomas Splettstoesser / Wikipédia
Les scientifiques de l'Université Western Ontario ont trouvé une autre façon d'améliorer cette technologie. Ils ont essayé de résoudre le problème de la réparation de l'ADN coupé. La restauration rapide de la chaîne d'acide nucléique conduit au fait que les scientifiques n'ont pas le temps d'apporter leurs propres corrections au génome. Ainsi, un cercle vicieux se crée: la chaîne, réparée de manière indésirable, doit être à nouveau coupée avec la protéine Cas9.
Pour éviter que cela ne se produise, les chercheurs ont modifié les ciseaux à protéines pour créer la protéine TevCas9. Il coupe le brin d'ADN en deux endroits, ce qui rend difficile la réparation du site. Pour synthétiser la nouvelle enzyme, l'enzyme I-Tevl a été ajoutée à Cas 9, qui est également une endonucléase, c'est-à-dire une protéine qui clive une molécule d'ADN au milieu, plutôt que de cliver les extrémités de la séquence, comme le font les exonucléases. La protéine de fusion résultante s'est avérée plus précise dans la liaison à des sites spécifiques et moins susceptible de faire une erreur et de couper le mauvais site.
Structure cristalline de Cas9 liée à l'ADN
Photo: Projet wiki Cas9 / Wikipedia
Il existe un autre moyen d'améliorer la précision des systèmes CRISPR. La «course aux armements» entre bactéries et virus a conduit non seulement au développement de systèmes de défense chez les micro-organismes, mais aussi à des moyens de les neutraliser. Ainsi, les bactériophages mutent rapidement, perdant les zones par lesquelles l'immunité bactérienne les reconnaît. Cependant, certains codent pour les protéines anti-CRISPR, interférant avec le travail du complexe crRNA-Cas9.
Le 8 décembre, la revue Cell a publié un article de scientifiques de l'Université de Toronto qui ont créé «anti-CRISPR» - un système qui vous permet de désactiver le mécanisme sous certaines conditions. Il évite les erreurs indésirables en supprimant l'activité Cas9 au cas où l'ARN guide se lie au mauvais fragment. L'anti-CRISPR est constitué de trois protéines qui inhibent la nucléase et sont codées par les gènes de l'un des virus bactériens.
Déjà, la technologie CRISPR est utilisée pour traiter des maladies graves telles que la leucémie et le cancer du poumon, et est également testée pour nettoyer les cellules immunitaires du VIH. Au fur et à mesure que les scientifiques découvrent de nouvelles façons d'améliorer cette méthode, de plus en plus d'opportunités pour son application s'ouvriront.
Alexandre Enikeev