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Comment fonctionnent les ciseaux CRISPR-Cas9, capables de couper l'ADN à volonté ?

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Les ciseaux moléculaires. En jaune, un brin d'ARN, en bleu, la protéine Cas9, capable de couper les brins d'ADN
Les ciseaux moléculaires. En jaune, un brin d'ARN, en bleu, la protéine Cas9, capable de couper les brins d'ADN
- DataBase Center for Life Science (DBCLS). Domaine public

Pour la première fois, des chercheurs ont réussi à modifier des gènes défectueux dans des embryons humains. Une avancée dans l'édition génétique permise grâce aux ciseaux génétiques CRISPR-Cas9, découverts en 2012. En langage simple, comment cela fonctionne-t-il ?

C'est une première. Aux Etats-Unis, une équipe internationale de chercheurs a modifié in utero des gènes porteurs d'une maladie héréditaire, la cardiomyopathie hypertrophique. C'est ce qu'annonce une étude parue ce mercredi dans la revue Nature. Une expérience réalisée grâce aux ciseaux génétiques CRISPR-Cas9, découverts en 2012 par deux chercheuses : la Française Emmanuelle Charpentier, du Max Planck Institute for Infection biology (Allemagne), et l'Américaine Jennifer Doudna, de l'Université de Berkeley.

4 min

Si l'image des "ciseaux" est simple, la manière donc ceux-ci fonctionnent l'est moins. Mais à peine. Nous avons demandé à Hervé Chneiweiss, docteur en neurologie et en neurobiologie, président du comité d’éthique de l’Inserm, de nous expliquer CRISPR-Cas9 "pour les nuls".

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Comment ça marche ?

Nous avons tous dans nos cellules un long ruban d'ADN, cette fameuse double hélice. Il est constitué de paires de bases azotées, appelées également nucléotides, que l'on symbolise par des lettres, ATGC.

Paire de base dans un chromosome
Paire de base dans un chromosome
- Wikipédia / Domaine public

Pour procéder à des découpes de segments d'ADN, les chercheurs vont fabriquer de l'ARN. Une suite de bases azotées, qui va venir se fixer sur les brins d'ADN de manière complémentaire.

L'ARN est une molécule très proche de la molécule d'ADN, mais constituée d'un seul brin (pas de double hélice) : "Pour l'ADN, en face d'une base A on a toujours une base T. Et en face d'une base C on a toujours une base G. C'est la même chose avec l'ARN, sauf que la thymine est remplacée par l'uracile. Vous pouvez donc construire une séquence complémentaire, comme la clé qui rentre dans la serrure. Vous allez pouvoir fabriquer un ARN qui va très précisément reconnaître une certaine séquence d'ADN, celle que vous cherchez à cibler. Et vous allez pouvoir diriger votre construction guide vers une partie très précise du gène que vous cherchez à modifier", explique Hervé Chneiweiss.

Ça va faire un peu comme un aimant sur la porte du réfrigérateur : à une séquence de lettres précises va correspondre un ARN guide précis, qui va aller se positionner exactement là où on le souhaite.

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56 min

Cet ARN a une autre propriété, d'où son qualificatif de "guide" : non seulement il possède cette séquence de reconnaissance, sa tête chercheuse, mais il a aussi une queue qui permet d'attirer la protéine Cas9, de lui servir de plateau, de support. Et cette protéine Cas9 a une particularité :

L'ARN va être capable de lier une protéine qui s'appelle Cas9, et qui est une méganucléase, c'est à dire une enzyme qui coupe l'ADN. Et celle-là a la propriété de couper les deux brins de l'ADN, l'un en face de l'autre.

Une fois que la protéine-ciseaux Cas9 a fait son oeuvre, la séquence d'ADN présente un trou, une cassure que la cellule va vouloir réparer. Pour cela, explique le scientifique, elle a deux possibilités :

- soit elle fait appel à un système peu fiable qu'on appelle le NHEJ, le "Non-homologous end joining" : "Ce système va combler le trou, mais soit oublier une base, soit en rajouter une ou deux, c'est ce qu'on appelle les 'indel', et le gène ne pourra plus s'exprimer. Donc c'est un moyen très pratique d'invalider l'expression d'un gène." Un système qui permet donc aux chercheurs de mieux comprendre le fonctionnement d'un gène.

- soit elle choisit un mécanisme de réparation beaucoup plus fiable, à haute fidélité, appelé le système HR : "On va amener une séquence d'ADN, qu'on appelle un oligonucléotide, qui va servir de modèle, que le système HR pourra recopier, on peut ainsi corriger la séquence génétique comme on le souhaite", précise Hervé Chneiweiss. Un système qui permet purement et simplement de réparer une séquence d'ADN défectueuse.

Le système d'invalidation d'un gène est extrêmement efficace, il marche quasiment à 100%, il est très rapide, et peu cher. L'autre système de modification avec réparation est plus délicat, et c'est ça l'une des grandes avancées de l'article de Nature : ils ont réussi à faire marcher ce système de façon très efficace dans des cellules au premier stade embryonnaire, qui est le stade zygote.

L'ingénierie génomique en infographie
L'ingénierie génomique en infographie
© AFP - Adrian Leung, Vincent Lefai, Kun Tian, John Saeki

"Ce n'est pas un brin d'ARN ou une enzyme qui coupe l'ADN qui pose des questions éthiques, c'est l'utilisation qu'on en fait."

Evidemment, l'utilisation de ces ciseaux génétiques n'est pas sans réveiller le spectre de l'eugénisme et soulève donc un grand nombre de questions éthiques. De différents ordres, selon que l'on s'intéresse aux végétaux, aux animaux ou aux hommes, comme nous l'a expliqué le docteur en neurologie et en neurobiologie en fin d'entretien :

Hervé Chneiweiss sur les questionnements éthiques soulevés par l'utilisation des ciseaux génétiques

9 min

Chez l'homme, lorsque c'est un procédé de lutte contre une tumeur par exemple, ou contre le virus du sida, cela ne pose pas beaucoup de questions éthiques. Mais les modifications chez l'embryon soulèvent d'ores et déjà bien des débats, même si elles ne se font aujourd'hui que dans le cadre de la recherche fondamentale.

"Si une thérapie génique de l'embryon était possible dans les années qui viennent, serait-il vraiment éthique de rester avec des maladies terribles comme la mucoviscidose, la maladie de Huntington, certaines formes de bêta-thalassémies qui tuent encore des enfants et pour lesquelles ont utilise une technique qui est le diagnostic pré-implantatoire qui permet d'écarter les embryons atteints et de ne faire naître que des embryons sains ?