Les scientifiques ont de grands espoirs pour la technologie CRISPR / Cas9, qui permet des changements de haute précision dans les génomes des organismes vivants, y compris les humains. Tous les nouveaux articles scientifiques sont publiés décrivant les différents types de systèmes CRISPR, ainsi que leurs modifications. "Lenta.ru" parle des découvertes dans ce domaine, faites en 2016.
Des milliers d'entre eux
CRISPR / Cas9 est un système d'immunité adaptative bactérienne qui permet aux micro-organismes de combattre les virus. Il se compose d'espaceurs - sections d'ADN correspondant à certains fragments (protospacers) de l'ADN de l'agent infectieux. Les espaceurs codent pour des molécules d'ARNr spécifiques qui se lient à l'enzyme Cas9. Le complexe résultant s'attache à la chaîne d'ADN du virus et Cas9 fonctionne comme une paire de ciseaux, le coupant.
En fait, CRISPR / Cas9 n'est qu'un des nombreux systèmes similaires dont disposent les bactéries et les archées. Les scientifiques les divisent en deux classes. La première classe comprend les systèmes CRISPR de types I, III et IV, et la seconde - II et V. Type II contient la protéine Cas9 impliquée dans l'acquisition de nouveaux espaceurs, l'accumulation d'ARNr dans la cellule et le clivage de l'ADN. Dans d'autres systèmes, des complexes multi-protéines sont utilisés à ces fins. Cela fait du type II le type le plus simple de système CRISPR adapté aux besoins du génie génétique.
Les types peuvent, à leur tour, être subdivisés en sous-types en fonction des gènes supplémentaires associés à CRISPR. Par exemple, les systèmes IIA contiennent le gène csn2, qui code pour une protéine qui se lie à l'ADN et est impliquée dans l'acquisition d'espaceurs. Dans les systèmes IIB, csn2 est absent, mais il existe un gène cas4, dont la fonction est encore inconnue, et les systèmes IIC n'ont ni csn2 ni cas4.
Trésors à l'intérieur des bactéries
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Tous les systèmes CRISPR connus ont été découverts par des scientifiques dans des bactéries cultivées en laboratoire. Cependant, il existe un grand nombre de micro-organismes non cultivés, qui comprennent à la fois des archées et des bactéries. Ils vivent généralement dans des conditions extrêmes - sources minérales ou plans d'eau toxiques dans des mines abandonnées. Cependant, les chercheurs peuvent en isoler l'ADN et y identifier des régions spécifiques. Dans un nouvel article publié dans Nature le 22 décembre, des généticiens de l'Université de Californie à Berkeley ont décodé des génomes à partir de communautés microbiennes naturelles, découvrant d'autres variantes du système CRISPR.
Bactériophage - un virus qui infecte les bactéries
Image: Giovanni Cancemi / Depositphotos
Les scientifiques ont réussi à découvrir que certains types de nanorganismes de type arche peu étudiés ARMAN possèdent également CRISPR / Cas9, bien que l'on pensait auparavant que seules les bactéries en avaient. Il est à noter que ce système occupe une place intermédiaire entre les sous-types IIC et IIB et peut servir de défense contre les gènes parasites «sautants» (transposons) entrant dans le microorganisme en provenance d'autres archées. Une tentative de reproduction de l'activité de CRISPR / Cas9 archéale chez E. coli (Escherichia coli) n'a abouti à rien, ce qui indique l'existence de mécanismes spécifiques supplémentaires régulant le système.
De nouveaux types de systèmes de la deuxième classe, CRISPR / CasX et CRISPR / CasY, ont également été identifiés à partir de bactéries vivant dans les eaux souterraines et les sédiments. Le système CRISPR / CasX comprend les protéines Cas1, Cas2, Cas4 et CasX. Ce dernier, comme le montrent les expériences sur E. coli, se distingue par l'activité nucléase, c'est-à-dire qu'il est capable de cliver l'ADN étranger comme Cas9. Cependant, cela ne se produit que si la séquence TTCN est devant les protospacers, où N est l'un des quatre nucléotides. Ces séquences sont appelées PAM (protospacer adjacent motif - motif adjacent au protospacer). Le système CRISPR / Cas9 possède également son propre PAM - NGG, qui doit être situé après le protospacer. De plus, CRISPR / CasY est capable de couper l'ADN s'il existe une séquence TA PAM près du site cible.
Quelle est la promesse de cette découverte? Le fait est que les systèmes détectés sont les plus compacts connus à l'heure actuelle. Selon les scientifiques, la petite quantité de protéines nécessaire à leur travail fait de CRISPR / CasX et CRISPR / CasY des outils pratiques pour l'édition de l'ADN. De plus, la recherche métagénomique, dans laquelle l'ADN obtenu à partir de l'environnement est étudié, révélera d'autres types de systèmes CRISPR utiles pour le génie génétique.
Le chemin de l'excellence
Bien sûr, il existe une alternative à la recherche de systèmes CRISPR dans la nature - l'amélioration de la technologie CRISPR / Cas9 déjà existante. Malgré sa grande précision, elle fait des erreurs en coupant l'ADN au mauvais endroit. Cela rend difficile d'effectuer les changements corrects dans les gènes et donc de traiter efficacement les maladies héréditaires. Par conséquent, les scientifiques recherchent des moyens d'améliorer les performances du système. En 2016, de nombreux articles scientifiques ont été consacrés à la modification de CRISPR et à sa transformation en divers outils génétiques.
Protéine Cas9 et ARNr - les principaux composants du système CRISPR
Image: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
Ainsi, 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 désactive le mécanisme sous certaines conditions. Cela vous permet de supprimer l'activité Cas9 si l'ARN guide se lie au mauvais fragment et empêche les erreurs. Anti-CRISPR est composé de trois protéines inhibant la nucléase. Naturellement, au départ, il n'a pas été inventé par des scientifiques, mais par des virus, qui ont ainsi neutralisé l'immunité des bactéries.
En juin, des chercheurs américains, avec des collègues russes, ont confirmé que le système CRISPR / C2c2, obtenu à partir de la fusobacterium Leptotrichia shahii, est capable de cliver l'ARN simple brin. En conséquence, le système CRISPR peut être utilisé pour knock-out - supprimer des fonctions - de l'ARN messager, qui transporte des informations des gènes aux ribosomes, où les protéines sont synthétisées sur sa base.
En mai, des chercheurs de l'Université de Californie ont créé la technologie CRISPR-EZ, qui permet d'insérer de nouvelles molécules d'ADN dans les génomes d'embryons de souris avec près de 100% de succès. Le système CRISPR / Cas9 est injecté dans des œufs d'animaux fécondés à l'aide d'une aiguille microscopique et d'une minuscule décharge électrique. Dans leur expérience, les scientifiques ont réussi à introduire une mutation dans un gène chez 88% des souris. Cela dépasse le nombre de souris génétiquement modifiées produites par l'édition CRISPR, qui utilise des injections conventionnelles.
En avril, à l'aide d'un variant mutant de Cas9 dépourvu d'activité nucléase, des biologistes moléculaires de la faculté de médecine de l'Université du Massachusetts ont développé la technologie CRISPRainbow. L'ARN guide, qui indique où se fixent les enzymes, contenait des marqueurs fluorescents, ce qui permet, par exemple, de suivre le mouvement des éléments génétiques mobiles.
Le moustique anophèle pourrait être la première victime des systèmes CRISPR
Photo: Jim Gathany / Wikipédia
Nouveau monde courageux
Les scientifiques utilisent déjà les systèmes CRISPR pour créer des organismes génétiquement modifiés, comme le moustique du paludisme, qui propagent des gènes nocifs parmi leurs parents sauvages. Cette méthode s'appelle le forçage génétique. Si l'un des parents d'un individu était porteur d'un gène mutant, il le transmettra à sa progéniture avec une probabilité de 50%. C'est parce que le parent a deux copies du gène, et une seule d'entre elles est défectueuse. CRISPR est capable de copier un fragment mutant et de l'insérer dans un gène sain. En conséquence, la progéniture obtient une mutation avec une probabilité de 100%.
En 2016, des experts du Recombinant DNA Advisory Committee (RAC) ont approuvé une demande de l'Université de Pennsylvanie pour effectuer des tests sur la modification génétique humaine à l'aide de la technologie CRISPR / Cas9.
Cependant, ils ont été dépassés par les Chinois. En novembre, la revue Nature a rapporté que des scientifiques chinois ont introduit pour la première fois des cellules avec des gènes modifiés par le système CRISPR / Cas9 chez l'homme. Les chercheurs ont extrait des cellules immunitaires (lymphocytes T) du sang d'un patient atteint d'un cancer du poumon métastatique, puis ont utilisé la technologie CRISPR pour désactiver le gène qui code la protéine PD-1. Il a été démontré que ce dernier supprime l'immunité en favorisant la croissance tumorale. Les scientifiques ont cultivé les cellules modifiées, en augmentant leur nombre, puis en les réinjectant dans le corps humain. Reste à savoir si la thérapie génique fera face à la maladie.
Les systèmes CRISPR peuvent également être utilisés pour lutter contre le VIH et les maladies héréditaires humaines. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour développer des traitements efficaces. Bien sûr, nous ne parlons pas de mutants, comme dans les films de science-fiction, mais les scientifiques pourront créer rapidement des organismes génétiquement modifiés, par exemple des plantes agricoles résistantes aux parasites. Il reste à voir pourquoi les scientifiques qui ont découvert CRISPR et compris comment il pouvait être utilisé n'ont pas encore reçu le prix Nobel.
Alexandre Enikeev