En moins de cinq ans, la technologie d'édition de gènes connue sous le nom de Crispr a révolutionné la biologie moderne. Depuis 2012, date à laquelle sa capacité à trouver, retirer et remplacer du matériel génétique a été enregistrée pour la première fois, les scientifiques ont publié plus de 5 000 ouvrages mentionnant Crispr. Les chercheurs dans le domaine de la biomédecine le maîtrisent afin de mieux simuler diverses maladies. Et d'innombrables entreprises ont commencé à faire des efforts commerciaux avec de nouveaux médicaments, traitements, aliments, produits chimiques et matériaux basés sur cette technologie.
Habituellement, lorsque nous parlons de Crispr, nous entendons Crispr / Cas9 - un complexe de riboprotéines composé d'une courte chaîne d'ARN et d'une enzyme qui coupe l'ADN. Il a fait pour la biologie et la médecine ce que Model T a fait pour la production et le transport - dans le processus de démocratisation de l'accès à la technologie révolutionnaire et de violation du statu quo (nous parlons d'une voiture de Henry Ford, également connue sous le nom de Tin Lizzy - dans le monde, une voiture qui a été produite en millions de séries de 1908 à 1927. Elle est devenue un symbole de la façon dont Ford «a mis l'Amérique sur les roues», rendant une voiture de tourisme relativement abordable pour un Américain de la classe moyenne - environ MK).
Crispr est déjà utilisé pour améliorer la condition des patients cancéreux et, l'année prochaine, il pourrait être admis à des essais cliniques pour le traitement de maladies génétiques telles que l'anémie falciforme et la bêta-thalassémie.
Mais, comme le modèle T, Crispr Classic est quelque peu maladroit, peu fiable et un peu dangereux. Il ne peut pas simplement se lier à n'importe quel endroit du génome. Parfois, il fait des corrections au mauvais endroit. Et il n'a pas d'interrupteur. Si le modèle T était sujet à une surchauffe, Crispr Classic est sujet à une suralimentation.
Même avec ces limitations, Crispr Classic restera le cheval de bataille de la science en 2018 et au-delà. Mais cette année, de nouveaux outils d'édition de gènes plus brillants ont commencé à être lancés sur la chaîne de production, promettant de surpasser leur frère de première génération. Donc, si vous venez de commencer à penser à Crispr - bouclez votre ceinture, car l'édition génétique 2.0 est déjà là.
L'action de coupe ciblée de Crispr est sa caractéristique déterminante. Mais lorsque Cas9 coupe deux brins d'ADN dans le corps, un élément de risque est introduit - lorsqu'une blessure aussi soudaine au génome est restaurée, les cellules peuvent commencer à faire des erreurs. C'est pourquoi les scientifiques développent des moyens d'obtenir les mêmes résultats de manière plus sûre.
Une approche consiste à créer une mutation de l'enzyme Cas9 - de telle sorte qu'elle puisse encore se lier à l'ADN, mais pour que ses ciseaux ne fonctionnent pas. Ensuite, d'autres protéines qui activent l'expression des gènes peuvent être combinées avec ce Cas9, leur permettant d'activer et de désactiver les gènes (parfois en utilisant des signaux lumineux ou chimiques) sans changer la séquence d'ADN. Une telle «édition épigénétique» peut être utilisée pour résoudre des situations résultant d'une combinaison de facteurs génétiques, par opposition à de simples violations simples qui conviennent le mieux à Crispr Classic (plus tôt ce mois-ci, des chercheurs du Salk Institute ont utilisé un tel système pour traiter plusieurs maladies chez la souris, y compris le diabète, l'insuffisance rénale aiguë et la dystrophie musculaire).
D'autres scientifiques, à Harvard et au Brodsky Institute, travaillent à un réglage Crispr encore plus audacieux: l'édition de paires de bases individuelles, une à la fois. Pour ce faire, ils ont dû développer une enzyme complètement nouvelle - non tirée des enzymes naturelles - qui pourrait convertir chimiquement le composé nucléotidique AT apparié en GC. Il s'agit d'un petit changement avec des conséquences potentiellement énormes. David Liu, un chimiste de Harvard dont le laboratoire a effectué ce travail, estime qu'environ la moitié des 32 000 mutations ponctuelles pathogènes connues chez l'homme peuvent être corrigées par cette seule transformation.
"Je ne veux pas que le public trouve l'idée erronée que nous pouvons remplacer n'importe quelle partie de l'ADN par n'importe quelle autre partie de l'ADN chez n'importe quelle personne ou n'importe quel animal, ou même n'importe quelle cellule dans une tasse", a déclaré Liu. «Mais trouver où nous en sommes maintenant a une grande responsabilité. La grande question est de savoir à quel point cette approche deviendra-t-elle plus efficace au fil du temps? Et à quelle vitesse pouvons-nous traduire ces avancées technologiques au profit de la société? »
Crispr s'est développé dans les bactéries comme mécanisme de défense primitif. Sa tâche était de trouver l'ADN viral ennemi et de le couper jusqu'à ce qu'il reste. Il s'agit d'un accélérateur sans freins, ce qui peut le rendre dangereux, en particulier pour les applications cliniques. Plus Crispr reste longtemps dans la cellule, plus il a de chances de trouver quelque chose de similaire à son gène cible et de faire une incision.
Pour minimiser ces effets «inappropriés», les scientifiques ont développé un certain nombre de nouveaux outils pour un contrôle plus strict de l'activité de Crispr.
À ce jour, les chercheurs ont identifié 21 familles uniques de protéines Crispr naturelles - de petites molécules qui désactivent l'éditeur génétique. Mais ils savent comment seuls certains d'entre eux fonctionnent: certains se lient directement à Cas9, ne lui permettant pas de se fixer à l'ADN; d'autres incluent des enzymes qui déplacent Cas9 pour l'espace sur le génome. Des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley, de l'UCSF, de Harvard, Broad et de l'Université de Toronto travaillent actuellement dur sur la façon de transformer ces «interrupteurs» naturels en interrupteurs programmables.
En plus des applications médicales, cela sera crucial pour le développement ultérieur des lecteurs de gènes - une technologie d'édition de gènes qui peut rapidement diffuser la modification souhaitée dans une population.
La capacité de pousser l'évolution d'une manière ou d'une autre deviendra un outil puissant pour faire face à de nombreux problèmes - des maladies au changement climatique. Il est considéré comme un outil de destruction des moustiques du paludisme et d'extermination d'autres espèces nuisibles. Mais libéré, il peut devenir incontrôlable et entraîner de graves conséquences. Cette année seulement, Darpa a investi 65 millions de dollars pour rechercher des lecteurs de gènes plus sûrs, y compris "Breakers" anti-crisp.
Malgré de nombreuses années de succès, les scientifiques ne comprennent toujours pas bien comment les erreurs d’ADN peuvent provoquer la maladie d’une personne. Ils savent quels gènes sont impliqués dans les «directives d'action» cellulaires, mais il est difficile de comprendre où ces commandes sont délivrées et comment elles sont traduites (y compris incorrectement) dans le processus. C'est pourquoi des groupes à Harvard et au Brod Institute, dirigés par un collègue Crispr feng Zhang, travaillent avec une nouvelle classe d'enzymes Cas qui ciblent l'ARN au lieu de l'ADN.
Parce que ce sont des instructions que les mécanismes cellulaires utilisent pour créer des protéines, ils contiennent plus d'informations sur la base génétique de maladies spécifiques. Et puisque l'ARN va et vient, y apporter des modifications sera utile pour traiter des problèmes à court terme tels qu'une inflammation aiguë ou des plaies. Le système, qu'ils appellent Repair (qui signifie "RNA Editing for Programmable A to I Replacement" - "Editing RNA for programmable replacement of A by I"), jusqu'à présent ne fonctionne que pour convertir un seul nucléotide. L'étape suivante consiste à déterminer comment créer les 11 combinaisons possibles restantes.
Les scientifiques trouvent constamment de nouvelles enzymes Cas. Les équipes du Brodsky Institute travaillent également à décrire cpf1, une version de Cas qui laisse des extrémités collantes au lieu de celles déphosphorylées lors de la coupe d'ADN. En février, une équipe de UC Berkeley a découvert CasY et CasX, les systèmes Crispr les plus compacts. Et les chercheurs s'attendent à ce que beaucoup d'autres viennent dans les mois et les années à venir.
Seul le temps nous dira si le Crispr-Cas9 était le meilleur d'entre eux, ou simplement le premier à capturer l'esprit d'une génération de scientifiques. «Nous ne savons pas ce qui fonctionnera le mieux dans différentes applications», explique Megan Hochstrasser, qui a fait son doctorat au laboratoire d'ouverture de Crispr, Jennifer Dudna, et travaille maintenant au Genomics Innovation Institute. "Donc pour le moment, je pense que tout le monde doit parier sur tous ces outils en même temps."
Il faudra de nombreuses années de travail pour que la génération actuelle d'éditeurs de gènes passe du laboratoire aux vrais patients, aux lignées végétales et aux ravageurs porteurs de maladies.
Si l'édition génétique 3.0 ne les rend pas obsolètes en premier.