CRISPR: une technique de génie génétique révolutionnaire

Comment ça marche?

Figure 1 ~ Les étapes de l’immunité médiée par CRISPR. Les CRISPR sont des régions du génome bactérien qui aident à se défendre contre les virus envahissants. Ces régions sont composées de courtes répétitions d’ADN (losanges noirs) et d’espaceurs (cases colorées). Lorsqu’un virus auparavant invisible infecte une bactérie, un nouvel espaceur dérivé du virus est incorporé parmi les espaceurs existants. La séquence CRISPR est transcrite et traitée pour générer de courtes molécules d’ARN CRISPR. L’ARN CRISPR s’associe et guide la machinerie moléculaire bactérienne vers une séquence cible correspondante dans le virus envahisseur. La machinerie moléculaire coupe et détruit le génome viral envahissant. Figure adaptée de Molecular Cell 54, 24 avril 2014 [5].

Intercalées entre les courtes répétitions d’ADN des CRISPR bactériens, se trouvent des séquences variables courtes similaires appelées espaceurs (figure 1). Ces espaceurs sont dérivés de l’ADN de virus qui ont déjà attaqué la bactérie hôte [3]. Par conséquent, les espaceurs servent de «mémoire génétique» d’infections antérieures. Si une autre infection par le même virus devait survenir, le système de défense CRISPR coupera toute séquence d’ADN viral correspondant à la séquence d’espacement et protégera ainsi la bactérie d’une attaque virale. Si un virus auparavant invisible attaque, un nouvel espaceur est créé et ajouté à la chaîne d’entretoises et de répétitions.

Le système immunitaire CRISPR protège les bactéries contre les attaques virales répétées en trois étapes de base [5]:

Étape 1) Adaptation – L’ADN d’un virus envahissant est transformé en courts segments qui sont insérés dans la séquence CRISPR en tant que nouveaux espaceurs.

Étape 2) Production d’ARN CRISPR – Les répétitions et les espaceurs CRISPR dans l’ADN bactérien subissent une transcription, le processus de copie de l’ADN en ARN (acide ribonucléique). Contrairement à la structure en hélice à double chaîne de l’ADN, l’ARN résultant est une molécule à une seule chaîne. Cette chaîne d’ARN est découpée en petits morceaux appelés ARN CRISPR.

Étape 3) Ciblage – Les ARN CRISPR guident la machinerie moléculaire bactérienne pour détruire le matériel viral. Parce que les séquences d’ARN CRISPR sont copiées à partir des séquences d’ADN viral acquises pendant l’adaptation, elles correspondent exactement au génome viral et servent donc d’excellents guides.

La spécificité de l’immunité basée sur CRISPR dans la reconnaissance et la destruction des virus envahisseurs n’est pas seulement utile pour les bactéries. Des applications créatives de ce système de défense primitif mais élégant ont émergé dans des disciplines aussi diverses que l’industrie, la recherche fondamentale et la médecine.

Quelles sont les applications du système CRISPR?

Dans l’industrie

Les fonctions inhérentes au système CRISPR sont avantageuses pour les procédés industriels qui utilisent des cultures bactériennes. L’immunité basée sur CRISPR peut être utilisée pour rendre ces cultures plus résistantes aux attaques virales, qui autrement entraveraient la productivité. En fait, la découverte originale de l’immunité CRISPR est venue de chercheurs de Danisco, une entreprise du secteur de la production alimentaire. [2,3]. Les scientifiques de Danisco étudiaient une bactérie appelée Streptococcus thermophilus, qui est utilisé pour faire des yaourts et des fromages. Certains virus peuvent infecter cette bactérie et nuire à la qualité ou à la quantité des aliments. Il a été découvert que les séquences CRISPR équipées S. thermophilus avec une immunité contre une telle attaque virale. Expansion au-delà S. thermophilus à d’autres bactéries utiles, les fabricants peuvent appliquer les mêmes principes pour améliorer la durabilité de la culture et la durée de vie.

Dans le laboratoire

Au-delà des applications englobant les défenses immunitaires bactériennes, les scientifiques ont appris à exploiter la technologie CRISPR en laboratoire [6] pour apporter des modifications précises aux gènes d’organismes aussi divers que les mouches des fruits, les poissons, les souris, les plantes et même les cellules humaines. Les gènes sont définis par leurs séquences spécifiques, qui fournissent des instructions sur la façon de construire et de maintenir les cellules d’un organisme. Un changement dans la séquence d’un seul gène peut affecter de manière significative la biologie de la cellule et à son tour peut affecter la santé d’un organisme. Les techniques CRISPR permettent aux scientifiques de modifier des gènes spécifiques tout en épargnant tous les autres, clarifiant ainsi l’association entre un gène donné et ses conséquences pour l’organisme.

Plutôt que de compter sur des bactéries pour générer des ARN CRISPR, les scientifiques conçoivent et synthétisent d’abord des molécules d’ARN courtes qui correspondent à une séquence d’ADN spécifique, par exemple dans une cellule humaine. Ensuite, comme dans l’étape de ciblage du système bactérien, cet «ARN guide» fait la navette entre la machinerie moléculaire et la cible ADN voulue. Une fois localisée dans la région de l’ADN d’intérêt, la machinerie moléculaire peut faire taire un gène ou même changer la séquence d’un gène (Figure 2)! Ce type d’édition génétique peut être assimilé à l’édition d’une phrase avec un traitement de texte pour supprimer des mots ou corriger des fautes d’orthographe. Une application importante de cette technologie est de faciliter la création de modèles animaux avec des changements génétiques précis pour étudier les progrès et le traitement des maladies humaines.

Figure 2 ~ Gene silencing et édition avec CRISPR. L’ARN guide conçu pour correspondre à la région d’ADN d’intérêt dirige la machinerie moléculaire pour couper les deux brins de l’ADN ciblé. Pendant le silençage du gène, la cellule tente de réparer l’ADN cassé, mais le fait souvent avec des erreurs qui perturbent le gène – le faisant ainsi taire. Pour l’édition génique, un modèle de réparation avec un changement de séquence spécifié est ajouté à la cellule et incorporé dans l’ADN pendant le processus de réparation. L’ADN ciblé est maintenant modifié pour porter cette nouvelle séquence.

En médecine

Avec les premiers succès en laboratoire, beaucoup se tournent vers les applications médicales de la technologie CRISPR. Une application concerne le traitement des maladies génétiques. La première preuve que CRISPR peut être utilisé pour corriger un gène mutant et inverser les symptômes de la maladie chez un animal vivant a été publiée plus tôt cette année. [7]. En remplaçant la forme mutante d’un gène par sa séquence correcte chez des souris adultes, les chercheurs ont démontré un remède pour une maladie hépatique rare qui pouvait être obtenue avec un seul traitement. En plus de traiter les maladies héréditaires, CRISPR peut être utilisé dans le domaine des maladies infectieuses, offrant éventuellement un moyen de fabriquer des antibiotiques plus spécifiques qui ciblent uniquement les souches bactériennes pathogènes tout en épargnant les bactéries bénéfiques. [8]. Un article récent du SITN Waves explique comment cette technique a également été utilisée pour rendre les globules blancs résistants à l’infection par le VIH. [9].

L’avenir de CRISPR

Bien sûr, toute nouvelle technologie prend du temps à comprendre et à se perfectionner. Il sera important de vérifier qu’un ARN guide particulier est spécifique de son gène cible, afin que le système CRISPR n’attaque pas par erreur d’autres gènes. Il sera également important de trouver un moyen d’administrer les thérapies CRISPR dans le corps avant qu’elles ne soient largement utilisées en médecine. Bien qu’il reste encore beaucoup à découvrir, il ne fait aucun doute que CRISPR est devenu un outil de recherche précieux. En fait, il y a suffisamment d’enthousiasme dans le domaine pour justifier le lancement de plusieurs start-up biotechnologiques qui espèrent utiliser la technologie inspirée de CRISPR pour traiter les maladies humaines. [8].

Ekaterina Pak est titulaire d’un doctorat. étudiant dans le programme de sciences biologiques et biomédicales de la Harvard Medical School.

Les références:

1. Palca, J. Une façon CRISPR de réparer les gènes défectueux. (26 juin 2014) NPR < http://www.npr.org/blogs/health/2014/06/26/325213397/a-crispr-way-to-fix-faulty-genes> [29 June 2014]

2. Pennisi, E. L’engouement CRISPR. (2013) Science, 341 (6148): 833-836.

3. Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., Romero, D.A., et Horvath, P. (2007). CRISPR fournit une résistance acquise contre les virus chez les procaryotes. Science 315, 1709–1712.

4. Brouns, S.J., Jore, M.M., Lundgren, M., Westra, E.R., Slijkhuis, R.J., Snijders, A.P., Dickman, M.J., Makarova, K.S., Koonin, E.V., et van der Oost, J. (2008). Les petits ARN CRISPR guident la défense antivirale chez les procaryotes. Science 321, 960–964.

5. Barrangou, R. et Marraffini, L. CRISPR-Cas Systems: Procaryotes Upgrade to Adaptive Immunity (2014). Molecular Cell 54, 234-244.

6. Jinkek, M. et coll. Une endonucléase à ADN guidée à double ARN programmable dans l’immunité bactérienne adaptative. (2012) 337 (6096): 816-21.

7. CRISPR inverse pour la première fois les symptômes de la maladie chez les animaux vivants. (31 mars 2014). Nouvelles du génie génétique et de la biotechnologie. <http://www.genengnews.com/gen-news-highlights/crispr-reverses-disease-symptoms-in-living-animals-for-first-time/81249682/> [27 July 2014]