Modifier l’ADN : les applications de la découverte CRISPR

Alors que la régle­men­ta­tion liée aux modi­fi­ca­tions géné­tiques évo­lue au Par­le­ment européen¹, la tech­no­lo­gie d’é​di​tion géné­tique CRIS­PR-Cas9 divise l’o​pi​nion. Source d’in​quié​tude pour les uns, riche de pro­messes pour les autres, fai­sons le point sur son fonc­tion­ne­ment, les pos­si­bi­li­tés qu’elle ouvre, ses limites et les inter­ro­ga­tions qu’elle soulève.

Les CRISPR (pour Clus­te­red regu­lar­ly inter­spa­ced short palin­dro­mic repeats) sont des séquences d’ADN pré­sentes dans le génome de nom­breux pro­ca­ryotes, bac­té­ries comme archées. D’a​bord décrites chez Esche­ri­chia coli en 1987², elles ont une struc­ture carac­té­ris­tique : de courtes séquences répé­tées et conser­vées sont sépa­rées par d’autres séquences courtes, variables, appe­lées spa­cers ou espa­ceurs. Il a fal­lu de nom­breuses recherches sur 20 ans³ pour com­prendre qu’il s’a​git d’élé​ments de défense contre des virus⁴.

En effet, les séquences espa­ceurs sont des por­tions de génomes viraux, inté­grés par les pro­ca­ryotes dans leur propre génome. L’ADN CRISPR est trans­crit en ARN, lui-même décou­pé pour for­mer des petits ARN guides appe­lés ARN­cr (ARN CRISPR), issus de cha­cun des espa­ceurs et qui sont donc simi­laires à des séquences virales. Quand un virus cor­res­pon­dant à un de ces espa­ceurs infecte la cel­lule, l’ARN​cr asso­cié se fixe à son génome. La struc­ture ain­si for­mée est ensuite ciblée par une enzyme de la famille Cas (pour CRIS­PR-asso­cia­ted), capable de cou­per l’ADN viral, met­tant ain­si fin à l’in​fec​tion.

Le sys­tème CRIS­PR-Cas fonc­tionne donc en trois temps : expres­sion des ARN­cr, recon­nais­sance du génome viral par un ARN­cr, et cou­pure par une pro­téine Cas, gui­dée au bon endroit par l’ARN​cr. Lors​qu’un pro­ca­ryote ren­contre un nou­veau virus, il peut récu­pé­rer un mor­ceau de son génome pour l’a​jou​ter à sa biblio­thèque CRISPR : la réponse immu­ni­taire CRIS­PR-Cas est donc spé­ci­fique de chaque virus ren­con­tré. Son sto­ckage direc­te­ment dans le génome cel­lu­laire per­met par ailleurs une mémo­ri­sa­tion, trans­mise de façon héré­di­taire. Si ce méca­nisme de défense remar­quable est aujourd’​hui connu bien au-delà de la com­mu­nau­té des micro­bio­lo­gistes, c’est parce qu’il a été adap­té pour conce­voir un outil d’é​di​tion géné­tique, par­ti­cu­liè­re­ment simple d’u​ti​li​sa​tion.

L’i​dée géné­rale est d’u​ti​li​ser les ciseaux molé­cu­laires que sont les enzymes Cas pour cou­per l’ADN à l’en​droit où on le sou­haite, en uti­li­sant un ARN­cr conçu sur mesure pour recon­naître une séquence géné­tique spé­ci­fique. Une fois l’ADN cou­pé, plu­sieurs choses peuvent se pas­ser : si on laisse la cel­lule répa­rer la cas­sure, la séquence est alté­rée au cours du pro­ces­sus. Mais si on lui four­nit un ADN modèle, conte­nant une séquence d’in​té​rêt (bor­dée par les mêmes motifs que ceux qui se retrouvent de part et d’autre de la cou­pure), celle-ci est uti­li­sée par la cel­lule dans un pro­ces­sus de répa­ra­tion appe­lé recom­bi­nai­son homo­logue, une sorte de copier-col­ler molé­cu­laire. La séquence de l’ADN modèle est inté­grée dans le génome, à l’en​droit où se trou­vait la coupure.

En cou­pant à l’en​droit où on le sou­haite pour insé­rer n’im​porte quelle séquence d’ADN, la tech­nique CRIS­PR-Cas per­met de modi­fier les génomes de façon extrê­me­ment pré­cise. Grâce à cela, il est pos­sible d’in​tro​duire de petites muta­tions dans l’ADN, d’a​jou​ter de nou­veaux gènes ou, si on ne four­nit pas de modèle de répa­ra­tion, de désac­ti­ver un gène. Comme il est aujourd’​hui facile et peu cher de com­man­der des acides nucléiques cus­to­mi­sés, uti­li­sés comme ARN­cr, cette méthode d’é​di​tion géné­tique est très acces­sible, en plus d’être très efficace.

En cou­pant à l’en​droit où on le sou­haite pour insé­rer n’im​porte quelle séquence d’ADN, la tech­nique CRIS­PR-Cas per­met de modi­fier les génomes de façon extrê­me­ment précise.

Chez les pro­ca­ryotes, il existe une grande diver­si­té de pro­téines Cas aux fonc­tion­ne­ments et aux carac­té­ris­tiques différentes⁵. Les pre­miers sys­tèmes d’é​di​tion géné­tique ont été déve­lop­pés avec Cas9, qui pro­duit des cou­pures double brin de l’ADN. Cepen­dant, plu­sieurs ver­sions de cette enzyme, iso­lées chez divers micro-orga­nismes, recon­naissent des séquences de lon­gueur légè­re­ment dif­fé­rentes avec des spé­ci­fi­ci­tés variables. Et d’autres enzymes Cas sus­citent un inté­rêt par­ti­cu­lier, notam­ment Cas12, dont le fonc­tion­ne­ment est encore plus simple que celui de Cas9. Elle est pro­met­teuse pour modi­fier simul­ta­né­ment plu­sieurs séquences, pour agir sur l’é​pi​gé​nome (l’en­semble des modi­fi­ca­tions chi­miques du génome qui influencent son expres­sion sans chan­ger sa séquence) et comme sys­tème de détec­tion d’ADN, notam­ment dans le cadre de tests diag­nos­tiques. Cas13 coupe quant à elle l’ARN et non l’ADN, ce qui en fait un outil inté­res­sant de détec­tion d’ARN, y com­pris infec­tieux, et ouvre la pos­si­bi­li­té d’a​gir sur le trans­crip­tome, c’est-à-dire les ARN issus de l’ex​pres​sion d’un génome, sans modi­fier le génome lui-même.

Le sec­teur de l’é​di​tion géné­tique par CRIS­PR-Cas, actuel­le­ment en plein essor, mobi­lise de nom­breuses équipes de recherche. Pion­nières, Emma­nuelle Char­pen­tier et Jen­ni­fer Doud­na ont reçu le Prix Nobel de chi­mie en 2020 pour la mise au point de l’é​di​tion géné­tique par CRISPR-Cas9⁶, suite notam­ment à un article fon­da­teur qu’elles avaient publié en 2012⁷. Paral­lè­le­ment, d’autres équipes ont publié les pre­miers résul­tats de modi­fi­ca­tions du génome de cel­lules euca­ryotes en uti­li­sant la tech­no­lo­gie CRIS­PR-Cas9, dont celles diri­gées par Feng Zhang⁸ et son col­la­bo­ra­teur et ancien men­tor, George Church⁹. Ces quatre scien­ti­fiques ont depuis fon­dé des socié­tés de bio­tech­no­lo­gie cen­trées sur l’é​di​tion géné­tique et leurs ins­ti­tu­tions de tutelle se livrent une véri­table guerre des bre­vets. Car les pos­si­bi­li­tés ouvertes par la tech­no­lo­gie CRIS­PR-Cas débouchent sur d’im​por​tants enjeux financiers.

Déve­lop­pée il y a seule­ment une dizaine d’an​nées, l’ap​proche CRIS­PR-Cas est déjà deve­nue un stan­dard des labo­ra­toires de recherche fon­da­men­tale en bio­lo­gie. Sa rapi­di­té et son acces­si­bi­li­té en font un outil pri­vi­lé­gié pour éteindre ou modi­fier des gènes, ce qui per­met de mieux com­prendre leurs fonc­tions. Avec désor­mais la pos­si­bi­li­té d’ef​fec​tuer rela­ti­ve­ment faci­le­ment des cribles à l’é​chelle de génomes entiers. Mais les champs d’ap​pli​ca​tion sont beau­coup plus vastes, et l’es​sor est par­ti­cu­liè­re­ment mar­qué dans trois domaines : la san­té, l’a​gro​no​mie et la bioproduction.

Pou­voir modi­fier faci­le­ment des gènes est notam­ment pro­met­teur pour trai­ter les mala­dies mono­gé­niques, c’est​-à​-dire dues au dys­fonc­tion­ne­ment d’un seul gène. CRIS­PR-Cas9 per­met d’en​vi​sa​ger une nou­velle forme de thé­ra­pie génique, assu­rant le rem­pla­ce­ment durable d’un allèle muté par une ver­sion fonc­tion­nelle. La pre­mière thé­ra­pie CRIS­PR-Cas ayant reçu l’ap​pro​ba​tion d’au​to​ri​tés sani­taires fin 2023 concerne d’ailleurs des mala­dies géné­tiques. Le Cas­ge­vy, pro­duit par Ver­tex et CRISPR The­ra­peu­tics, désor­mais auto­ri­sé aux États-Unis et au Royaume-Uni, cible des formes d’a​né​mies chro­niques dues à une muta­tion d’un des gènes de l’hé​mo​glo​bine. En France, ce trai­te­ment béné­fi­cie du dis­po­si­tif déro­ga­toire d’au​to​ri​sa​tion d’ac​cès pré­coce depuis le 18 jan­vier 2024¹⁰.

CRIS­PR-Cas pour­rait faci­li­ter le trai­te­ment des mala­dies dues aux dys­fonc­tion­ne­ments de plu­sieurs gènes, mais ne per­met pas de contour­ner toutes les dif­fi­cul­tés posées par les thé­ra­pies géniques. Si cer­tains organes comme le sang, l’œil et le foie sont faci­le­ment acces­sibles, assu­rer la déli­vrance du trai­te­ment à l’en​semble des cel­lules le néces­si­tant et ne pas pro­vo­quer d’ef​fets secon­daires res­tent tou­jours des défis. Les appli­ca­tions poten­tielles de CRIS­PR-Cas en san­té humaine ne se limitent cepen­dant pas aux thé­ra­pies géniques et aux outils diag­nos­tiques. Des essais sont par exemple en cours pour essayer d’é​li​mi​ner le VIH de l’or​ga​nisme de per­sonnes infectées¹¹, pour lut­ter contre le paludisme¹², pour faci­li­ter les greffes d’or​ganes¹³, pour déve­lop­per de nou­velles approches contre le diabète¹⁴ et bien d’autres appli­ca­tions encore.

Depuis leurs inven­tions, l’a​gri​cul​ture et l’é​le​vage reposent sur la modi­fi­ca­tion géné­tique d’es​pèces afin de déve­lop­per des carac­té­ris­tiques inté­res­santes pour les humains. Ce pro­ces­sus, qui pas­sait par des siècles voire des mil­lé­naires de sélec­tion et de croi­se­ments, a été cham­bou­lé par le déve­lop­pe­ment de la bio­lo­gie molé­cu­laire. Mieux com­prendre le rôle de chaque gène et pou­voir en modi­fier – voire en insé­rer de nou­veaux – de façon pré­cise et maî­tri­sée, au lieu de sélec­tion­ner a pos­te­rio­ri des muta­tions aléa­toires, repré­sente un gain d’ef​fi​ca​ci​té consi­dé­rable. Et les appli­ca­tions poten­tielles sont nom­breuses. Adap­ta­tion des varié­tés culti­vées à la cha­leur, à la séche­resse ou à d’autres stress envi­ron­ne­men­taux, amé­lio­ra­tion de la résis­tance à cer­tains para­sites (qui per­mettent de dimi­nuer l’u​sage des pes­ti­cides), aug­men­ta­tion des ren­de­ments pour pou­voir réduire les apports d’en​grais, pro­lon­ga­tion de la durée de conser­va­tion des pro­duits après récolte pour évi­ter le gas­pillage, amé­lio­ra­tion des qua­li­tés nutritionnelles[15]¹⁵… Là encore, impos­sible de dres­ser une liste exhaustive.

Les modi­fi­ca­tions ciblées per­mises par CRIS­PR-Cas rendent éga­le­ment envi­sa­geables des nou­veau­tés comme la pro­duc­tion de café natu­rel­le­ment décaféiné¹⁶ ou d’a​li​ments débar­ras­sés de leurs aller­gènes. Des ten­ta­tives sont par exemple en cours pour pro­duire du blé pauvre en gluten¹⁷. À l’in​verse, CRIS­PR-Cas peut être uti­li­sé pour déve­lop­per de nou­veaux sys­tèmes de bio­pro­duc­tion, en insé­rant les gènes néces­saires dans le génome de micro-orga­nismes comme des levures, des algues ou des bac­té­ries. Bio­car­bu­rants, com­po­sés phar­ma­ceu­tiques, pro­duits cos­mé­tiques, molé­cules d’in​té​rêt ali­men­taire comme les vita­mines : les pos­si­bi­li­tés sont nom­breuses et la sim­pli­ci­té d’u​ti​li​sa​tion de CRIS­PR-Cas révo­lu­tionne éga­le­ment la bio­lo­gie de synthèse.

CRIS­PR-Cas est par­fois pré­sen­té comme une sorte de baguette magique, mais cet outil d’é​di​tion géné­tique a des limites. Il per­met de modi­fier pré­ci­sé­ment les génomes, mais pas de pro­vo­quer n’im​porte quel chan­ge­ment dans le phé­no­type d’un orga­nisme. Les pro­ces­sus bio­lo­giques com­plexes, fai­sant inter­ve­nir de nom­breux gènes, ne peuvent pas être repro­gram­més faci­le­ment, même avec CRIS­PR-Cas. Les gènes essen­tiels au bon fonc­tion­ne­ment d’un orga­nisme ne peuvent pas être modi­fiés sans consé­quences délé­tères. À défaut de connaître un gène confé­rant une pro­prié­té don­née, on ne peut pas la faire acqué­rir à un nou­vel orga­nisme en uti­li­sant CRIS­PR-Cas. Et trans­fé­rer les pro­to­coles de labo­ra­toire à des ter­rains réels n’a rien d’é​vident.

Par ailleurs, si la tech­no­lo­gie d’é​di​tion CRIS­PR-Cas est par­ti­cu­liè­re­ment pré­cise, elle n’est pas pour autant fiable à 100 %. L’ap​pa​ri​tion de modi­fi­ca­tions dites off-tar­get, ailleurs qu’au niveau de la séquence ini­tia­le­ment ciblée, peut être pro­blé­ma­tique, notam­ment pour l’u​ti​li​sa​tion thé­ra­peu­tique de CRISPR-Cas¹⁸. L’ac​ces​si​bi​li​té d’é​ven​tuels trai­te­ments basés sur CRIS­PR-Cas est éga­le­ment un point de vigi­lance. Le prix du Cas­ge­vy a été fixé à 2,2 mil­lions de dol­lars. Même si une unique inter­ven­tion suf­fi­rait à gué­rir les patients, le recours à une thé­ra­pie aus­si coû­teuse res­te­ra for­cé­ment limi­té et inégal.

Si cer­taines uti­li­sa­tions de CRIS­PR-Cas paraissent pro­met­teuses, d’autres sou­lèvent des ques­tions éthiques plus difficiles.

Ce point n’est qu’une des très nom­breuses ques­tions éthiques sou­le­vées par la tech­no­lo­gie CRIS­PR-Cas. Comme tout outil, ni bon ni mau­vais en soi, ce sont ses uti­li­sa­tions poten­tielles qu’il faut inter­ro­ger. Celles qui semblent acces­sibles dans un futur proche, mais aus­si celles qui pour­raient le deve­nir à plus long terme. Modi­fier le génome de per­sonnes malades pour les gué­rir d’une patho­lo­gie autre­ment incu­rable parait pro­met­teur, mais tou­cher au génome humain n’a rien d’a​no​din. Un scien­ti­fique chi­nois ayant modi­fié géné­ti­que­ment plu­sieurs embryons pour ten­ter de les rendre résis­tants au VIH a été condam­né, à la fois par ses pairs et par la jus­tice : il a pas­sé trois ans en pri­son avant d’être libé­ré en 2022. Reste qu’il a pu faire naître plu­sieurs bébés géné­ti­que­ment modi­fiés, dans le cadre d’un pro­jet à la métho­do­lo­gie aus­si défaillante que son éthique¹⁹.

Ain­si, si cer­taines uti­li­sa­tions de CRIS­PR-Cas paraissent pro­met­teuses ou anec­do­tiques, d’autres sou­lèvent des ques­tions plus dif­fi­ciles. Est-ce accep­table de modi­fier géné­ti­que­ment des plantes pour les rendre plus résis­tantes aux séche­resses ? Est-ce accep­table de modi­fier géné­ti­que­ment des chats pour les rendre moins allergènes²⁰ ? Les mous­tiques trans­mettent des mala­dies res­pon­sables de cen­taines de mil­liers de morts chaque année, mais serait-ce accep­table d’u​ti​li​ser une approche de for­çage géné­tique, basée sur CRISPR, pour faire dis­pa­raître des popu­la­tions entières de moustiques²¹ ? Si vous ne répon­dez pas de la même manière à ces trois inter­ro­ga­tions, quels sont les élé­ments qui font bas­cu­ler votre opinion ? 

Ces ques­tions sont com­plexes, mais, compte tenu de la vitesse à laquelle pro­gressent les outils tech­no­lo­giques, il devient impé­ra­tif d’y répondre col­lec­ti­ve­ment. Le G6 ras­semble six grands orga­nismes de recherche euro­péens, dont le CNRS. À l’oc​ca​sion des récents débats au Par­le­ment euro­péen, il a publié un com­mu­ni­qué qui invi­tait notam­ment à « baser l’é​va​lua​tion des risques sur les carac­té­ris­tiques des orga­nismes géné­ti­que­ment modi­fiés, plu­tôt que sur les tech­niques per­met­tant de les obtenir²².» Quelles règle­men­ta­tions pour­rait-on construire à par­tir de ce point de départ ?