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Chirurgie du génome
Des moyens précis et faciles de réécrire les gènes humains pourraient enfin fournir les outils dont les chercheurs ont besoin pour comprendre et guérir certaines de nos maladies génétiques les plus mortelles. 11 février 2014
Au cours de la dernière décennie, alors que la technologie de séquençage de l'ADN est devenue de plus en plus rapide et moins chère, notre compréhension du génome humain a augmenté en conséquence. Pourtant, jusqu'à récemment, les scientifiques sont restés largement incontrôlables lorsqu'ils ont essayé de modifier directement les gènes d'une cellule vivante. Prenez l'anémie falciforme, par exemple. Maladie débilitante et souvent mortelle, elle est causée par une mutation d'une seule des trois milliards de paires de bases d'ADN d'un patient. Même si cette erreur génétique est simple et bien étudiée, les chercheurs sont impuissants à la corriger et à enrayer ses effets dévastateurs.
Maintenant, il y a de l'espoir sous la forme de nouveaux outils d'ingénierie du génome, en particulier celui appelé CRISPR. Cette technologie pourrait permettre aux chercheurs d'effectuer une microchirurgie sur les gènes, en modifiant précisément et facilement une séquence d'ADN à des emplacements exacts sur un chromosome. Avec une technique appelée TALENs, inventée il y a plusieurs années, et un prédécesseur légèrement plus ancien basé sur des molécules appelées nucléases à doigt de zinc, CRISPR pourrait rendre les thérapies géniques plus largement applicables, fournissant des remèdes pour des troubles génétiques simples comme l'anémie falciforme et conduisant même éventuellement à des remèdes pour des maladies plus complexes impliquant plusieurs gènes. La plupart des thérapies géniques conventionnelles placent grossièrement du nouveau matériel génétique à un emplacement aléatoire dans la cellule et ne peuvent qu'ajouter un gène. En revanche, CRISPR et les autres nouveaux outils offrent également aux scientifiques un moyen précis de supprimer et de modifier des morceaux d'ADN spécifiques, même en modifiant une seule paire de bases. Cela signifie qu'ils peuvent réécrire le génome humain à volonté.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2014
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Il faudra probablement au moins plusieurs années avant que de tels efforts ne puissent être développés en thérapeutique humaine, mais un nombre croissant de chercheurs universitaires ont connu un certain succès préliminaire avec des expériences impliquant la drépanocytose, le VIH et la mucoviscidose (voir tableau ci-dessous). L'un est Gang Bao, un chercheur en bio-ingénierie au Georgia Institute of Technology, qui a déjà utilisé CRISPR pour corriger la mutation drépanocytaire dans les cellules humaines cultivées dans une boîte. Bao et son équipe ont commencé les travaux en 2008 en utilisant des nucléases à doigt de zinc. Lorsque TALENs est sorti, son groupe a changé rapidement, dit Bao, puis il a commencé à utiliser CRISPR lorsque cet outil est devenu disponible. Bien qu'il ait l'ambition de travailler éventuellement sur une variété de maladies, Bao dit qu'il est logique de commencer par la drépanocytose. Si nous choisissons une maladie à traiter en utilisant l'édition du génome, nous devrions commencer par quelque chose de relativement simple, dit-il. Une maladie causée par une seule mutation, dans un seul gène, qui n'implique qu'un seul type de cellule.
Bao a une idée du fonctionnement d'un tel traitement. Actuellement, les médecins sont capables de guérir un petit pourcentage de patients drépanocytaires en trouvant un donneur humain dont la moelle osseuse est compatible immunologiquement ; les chirurgiens peuvent alors remplacer certaines des cellules souches de la moelle osseuse du patient par celles qui ont été données. Mais de tels donneurs doivent être précisément appariés avec le patient, et même alors, le rejet immunitaire - un problème potentiellement mortel - est un risque sérieux. La cure de Bao éviterait tout cela. Après avoir récolté des précurseurs de cellules sanguines appelés cellules souches hématopoïétiques à partir de la moelle osseuse d'un patient drépanocytaire, les scientifiques utiliseraient CRISPR pour corriger le gène défectueux. Ensuite, les cellules souches génétiquement corrigées seraient renvoyées au patient, produisant des globules rouges sains pour remplacer les cellules drépanocytaires. Même si nous pouvons remplacer 50 pour cent, un patient se sentira beaucoup mieux, dit Bao. Si nous remplaçons 70 pour cent, le patient sera guéri.
Bien que l'édition du génome avec CRISPR n'ait qu'un peu plus d'un an, elle réinvente déjà la recherche génétique. En particulier, il donne aux scientifiques la possibilité d'apporter rapidement et simultanément de multiples modifications génétiques à une cellule. De nombreuses maladies humaines, y compris les maladies cardiaques, le diabète et diverses affections neurologiques, sont affectées par de nombreuses variantes des gènes de la maladie et des gènes normaux. Démêler cette complexité avec des modèles animaux a été un processus lent et fastidieux. Pour de nombreuses questions en biologie, nous voulons savoir comment différents gènes interagissent, et pour cela nous devons introduire des mutations dans plusieurs gènes, explique Rudolf Jaenisch, biologiste au Whitehead Institute de Cambridge dans le Massachusetts. Mais, dit Jaenisch, l'utilisation d'outils conventionnels pour créer une souris avec une seule mutation peut prendre jusqu'à un an. Si un scientifique veut un animal avec de multiples mutations, les changements génétiques doivent être effectués de manière séquentielle, et la chronologie d'une expérience peut s'étendre sur des années. En revanche, Jaenisch et ses collègues, dont le chercheur du MIT Feng Zhang (un membre de 2013 de notre liste des 35 innovateurs de moins de 35 ans), ont rapporté au printemps dernier que CRISPR leur avait permis de créer une souche de souris avec de multiples mutations en trois semaines.
Parce qu'un système CRISPR peut facilement être conçu pour cibler n'importe quel gène spécifique, la technologie permet aux chercheurs de faire des expériences qui en sondent un grand nombre. En décembre, des équipes dirigées par Zhang et le chercheur du MIT Eric Lander ont créé des bibliothèques de CRISPR, chacune ciblant un gène humain différent. Ces vastes collections, qui représentent la quasi-totalité des gènes humains, ont été mises à disposition d'autres chercheurs. Les bibliothèques promettent d'accélérer les études à l'échelle du génome sur la génétique du cancer et de nombreuses autres maladies humaines.
GPS du génome
L'industrie de la biotechnologie est née en 1973, lorsque Herbert Boyer et Stanley Cohen ont inséré de l'ADN étranger qu'ils avaient manipulé en laboratoire dans des bactéries. En quelques années, Boyer avait cofondé Genentech et la société avait commencé à utiliser E. coli modifié avec un gène humain pour fabriquer de l'insuline pour les diabétiques. En 1974, Jaenisch , alors au Salk Institute for Biological Studies à San Diego, a créé la première souris transgénique en utilisant des virus pour ajouter au génome de l'animal un peu d'ADN d'une autre espèce. Dans ces exemples et d'autres premiers de génie génétique, cependant, les chercheurs étaient limités aux techniques qui inséraient l'ADN étranger dans la cellule au hasard. Tout ce qu'ils pouvaient faire était d'espérer le meilleur.
Il a fallu plus de deux décennies avant que les biologistes moléculaires ne deviennent aptes à modifier efficacement des gènes spécifiques dans les génomes animaux. Dana Carroll de l'Université de l'Utah a reconnu que les nucléases à doigt de zinc, des protéines modifiées signalées par des collègues de l'Université Johns Hopkins en 1996, pourraient être utilisées comme outil de ciblage génique programmable. Une extrémité de la protéine peut être conçue pour reconnaître une séquence d'ADN particulière ; l'autre extrémité coupe l'ADN. Lorsqu'une cellule répare naturellement ces coupures, elle peut patcher son génome en copiant l'ADN étranger fourni. Alors que la technologie a finalement permis aux scientifiques d'apporter en toute confiance des changements là où ils le souhaitent sur un chromosome, elle est difficile à utiliser. Chaque modification nécessite que le chercheur élabore une nouvelle protéine adaptée à la séquence ciblée - une tâche difficile et longue qui, parce que les protéines sont capricieuses, ne fonctionne pas toujours.
Les TALEN, une autre avancée significative dans l'édition de gènes, sont apparues en 2010. Les TALEN sont également des protéines qui trouvent et coupent une séquence d'ADN souhaitée, mais les adapter à de nouvelles cibles génétiques est beaucoup plus facile. Bien qu'ils aient représenté une grande amélioration par rapport aux doigts de zinc, cependant, les TALEN sont de grosses protéines avec lesquelles il est difficile de travailler et de les délivrer dans les cellules.
CRISPR a tout changé. Il remplace les protéines ciblant l'ADN par un court morceau d'ARN qui se concentre sur les gènes souhaités. Contrairement aux protéines complexes, l'ARN, qui a presque la même structure simple que l'ADN, peut être fabriqué de manière routinière en laboratoire ; un technicien peut synthétiser rapidement les séquences d'environ 20 lettres requises par la méthode. Le système permet aux chercheurs médicaux de modifier facilement un génome en remplaçant, supprimant ou ajoutant de l'ADN.
En un peu plus d'un an, le CRISPR a commencé à réinventer la recherche génétique.
CRISPR est synonyme de répétitions palindromiques courtes et régulièrement espacées en clusters - des grappes de brèves séquences d'ADN qui se lisent de la même manière en avant et en arrière, que l'on trouve dans de nombreux types de bactéries. Les scientifiques ont observé pour la première fois les segments d'ADN déroutants dans les années 1980, mais n'ont pas compris pendant près de deux décennies qu'ils faisaient partie d'un système de défense bactérien. Lorsqu'un virus attaque, les bactéries peuvent incorporer des séquences d'ADN viral dans leur propre matériel génétique, les prenant en sandwich entre les segments répétitifs. La prochaine fois que les bactéries rencontrent ce virus, elles utilisent l'ADN de ces grappes pour fabriquer des ARN qui reconnaissent les séquences virales correspondantes. Une protéine attachée à l'un de ces ARN découpe alors l'ADN viral.
En 2012, Emmanuelle Charpentier, microbiologiste médicale qui étudie les agents pathogènes au Helmholtz Center for Infection Research, et Jennifer Doudna , un collaborateur de l'Université de Californie à Berkeley, a montré qu'ils pouvaient utiliser un seul ARN en conjonction avec la protéine coupante, une enzyme appelée Cas9, pour découper n'importe quelle séquence d'ADN souhaitée dans des tubes à essai. Il n'était toujours pas certain que la méthode fonctionnerait dans les cellules animales, mais en janvier 2013, une percée spectaculaire s'est produite. Zhang et George Church, un généticien de la Harvard Medical School, ont rapporté séparément que le système CRISPR/Cas9 pourrait être utilisé pour l'édition de gènes dans les cellules des animaux, y compris les humains.
Désormais, un chercheur qui souhaite s'attaquer à un nouveau gène n'a plus qu'à synthétiser la protéine Cas9 et un peu d'ARN qui correspond aux séquences de la région ciblée. L'ARN guide ensuite l'enzyme vers l'ADN que le chercheur veut couper. Et parce que la même protéine de coupe est utilisée quelle que soit la cible, les chercheurs peuvent concevoir des expériences dans lesquelles ils modifient simultanément plusieurs gènes dans un organisme à l'aide de Cas9 et de plusieurs guides d'ARN. Il offre la possibilité de faire des expériences qui, dans le passé, étaient très difficiles ou pratiquement impossibles, explique Doudna.
Mystères complexes
Zhang du MIT, qui est membre du Broad Institute et du McGovern Institute for Brain Research, s'intéresse à la génétique derrière la maladie mentale. Pour essayer de comprendre ces conditions complexes, Zhang a contribué au développement de plusieurs outils de modification des gènes et des neurones, notamment les TALEN et l'optogénétique, une technique qui consiste à contrôler l'activité des neurones avec la lumière laser. Lorsqu'il a entendu parler de CRISPR pour la première fois, en 2011, il a commencé à le concevoir pour une utilisation dans des cellules humaines. Maintenant, il utilise CRISPR pour aider à révéler les secrets génétiques derrière des conditions aussi dévastatrices et mal comprises que la schizophrénie et l'autisme.
L'outil permet à Zhang de commencer à tester systématiquement certaines des variantes d'ADN qui ont été liées aux maladies. Bien que de nombreux progrès aient été réalisés au cours de la dernière décennie pour identifier les gènes courants chez les personnes atteintes de ces maladies, comprendre comment ces gènes sont liés aux symptômes est un défi de taille. Ce que vous apprenez du séquençage n'est qu'une observation, dit Zhang : afin de comprendre si un gène suspecté est réellement à l'origine de la maladie, vous devez introduire la mutation spécifique dans des cellules ou des organismes sains et voir ce qui ne va pas. Si la cellule ou l'organisme muté présente des caractéristiques qui imitent la maladie humaine, c'est une preuve impliquant le gène.
Zhang peut recréer, à la fois dans des souris de laboratoire et des cellules humaines en culture, des variantes génétiques trouvées chez les personnes atteintes d'autisme et de schizophrénie. Vous pouvez mettre une mutation humaine dans le gène correspondant d'un animal de laboratoire et voir ensuite : cet animal devient-il moins social ou a-t-il un déficit d'apprentissage ? il dit. Ensuite, ajoute-t-il, vous pouvez étudier les différences de comportement et de physiologie des neurones cultivés en laboratoire à partir de cellules souches qui ont été modifiées avec la même mutation. Avec les mutations d'un seul gène, nous commencerons à voir les aspects de la fonction biologique qui sont impliqués dans l'autisme, dit-il.
Zhang utilise également CRISPR pour effectuer plusieurs modifications génétiques à la fois. Cela devient particulièrement important avec des maladies complexes comme l'autisme et la schizophrénie, qui pour la plupart ne sont pas causées par le type de changement d'ADN unique derrière l'anémie falciforme. Différents patients sont affectés par différentes collections de mutations. Résoudre un casse-tête d'une telle complexité nécessitera de vastes études systématiques sur les effets de divers gènes et la façon dont ils interagissent. CRISPR rend de telles études possibles, dit Zhang, et sera important pour trouver des traitements pour une variété de maladies complexes. Nous comprendrons mieux les voies et les mécanismes de la maladie, dit-il. Cette connaissance éclairera toutes sortes de développement de médicaments.
Designers debutants
À la fin de l'année dernière, Doudna, Zhang, Church et deux autres pionniers de l'édition du génome ont fondé une startup qui développera de nouveaux traitements pour les maladies génétiques humaines. En novembre, la société, Médicaments délivrés , a annoncé avoir levé 43 millions de dollars en capital-risque et a déclaré qu'il prévoyait d'utiliser des technologies d'édition du génome contre un large éventail de maladies.
Le lancement d'Editas devrait bénéficier d'un regain d'intérêt pour la thérapie génique grâce à des années d'améliorations technologiques, y compris des mécanismes plus sûrs pour délivrer le traitement. Le paysage a changé pour la thérapie génique, dit Church. (Il n'y a toujours pas de thérapies géniques approuvées aux États-Unis, bien qu'un certain nombre fassent l'objet d'essais humains.) Mais il dit que les thérapies qu'Editas développera seront fondamentalement différentes des approches plus anciennes qui utilisent un virus pour insérer un gène dans les cellules.
Les scientifiques pourraient peut-être réécrire les gènes normaux afin que les humains puissent mieux lutter contre les infections.
Faire un changement ou une suppression est hors de portée pour la plupart de ces méthodes virales simples, dit Church. Et supprimer un peu d'ADN, plutôt que d'ajouter un gène, peut en effet être la clé pour traiter de nombreuses maladies. Prenez la maladie de Huntington. La maladie cérébrale mortelle résulte d'une accumulation d'une protéine toxique dans les neurones. L'ajout d'une copie saine du gène à la cellule n'affecterait pas l'activité toxique de cette protéine : la version dysfonctionnelle d'origine doit être réécrite. Avec les nouveaux outils d'édition du génome, dit Church, la réécriture de l'ADN défectueux peut être possible : vous n'êtes pas limité à rajouter quelque chose qui manque. Et, ajoute-t-il, lorsque vous commencez à réaliser que les versions les plus courantes des gènes ne sont pas nécessairement les versions idéales, vous réalisez alors qu'il s'agit d'un domaine beaucoup plus vaste. Les scientifiques pourraient peut-être réécrire les gènes normaux afin que les humains puissent mieux lutter contre les maladies infectieuses. Ils pourraient même être capables de bousculer les voies moléculaires impliquées dans le vieillissement.
Church prédit également que si l'édition du génome est utilisée pour guérir les maladies infantiles, certains scientifiques seront tentés de l'utiliser pour fabriquer des embryons lors de la fécondation in vitro. Les chercheurs ont déjà montré que l'édition du génome peut réécrire les séquences d'ADN dans les embryons de rat et de souris, et fin janvier, des chercheurs chinois ont signalé qu'ils avaient créé des singes génétiquement modifiés à l'aide de CRISPR. Avec de telles techniques, le génome d'une personne peut être modifié avant la naissance ou, si des modifications ont été apportées aux ovules ou aux cellules productrices de spermatozoïdes d'un parent potentiel, même avant la conception.
Ces possibilités soulèvent des questions éthiques. Mais si les chercheurs prouvent qu'ils peuvent corriger les maladies en toute sécurité en modifiant le génome, il est inévitable que certains parents voudront également modifier les génomes d'embryons sains. Si vous pouvez prévenir le retard mental avec la thérapie génique, en supposant que cela soit permis, alors il y a tout un éventail de défis intellectuels qui seront discutés, dit Church.
De telles discussions sont susceptibles de s'intensifier à mesure que CRISPR devient plus largement utilisé. Pour l'instant, cependant, la technologie continue d'évoluer : alors que des chercheurs comme Bao, Church et Zhang espèrent finalement guérir certaines de nos maladies les plus incurables, une grande partie de leur temps est encore consacrée à simplement affiner l'outil et à explorer ses possibilités. Mais même à ces débuts, CRISPR a déjà transformé la façon dont ces chercheurs envisagent de manipuler le génome. Ils ne sont plus poings au jambon.