L’édition génétique remporte enfin le prix Nobel de chimie ! Deux femmes scientifiques ont réalisé des exploits, mais pourquoi pas Zhang Feng ?

Écrit par | Fanpu

Le soir du 7 octobre, heure de Pékin, le prix Nobel de chimie 2020 a été décerné à Emmanuelle Charpentier et Jennifer A. Doudna en reconnaissance de leurs contributions à l’édition génétique.

À propos du gagnant :

Le Dr Emmanuelle Charpentier est une microbiologiste française et actuellement directrice de l'Institut de biologie des infections de l'Institut Max Planck en Allemagne. Dans le développement de CRISPR, sa principale contribution a été la découverte que l’activité de la protéine Cas9 dépend du tracrRNA.

Le Dr Jennifer A. Doudna est professeur de chimie, de biologie moléculaire et de biologie cellulaire à l'Université de Berkeley, chercheuse au Howard Hughes Medical Institute et membre de la National Academy of Sciences. En collaboration avec le Dr Emmanuelle Charpentier, elle a découvert la fonction de coupe de Cas9 et la fonction de positionnement de crRNA, et a fusionné crRNA et tracrRNA en ARN guide simple brin (sgRNA).

Des experts dans des domaines connexes ont analysé que le scientifique chinois Zhang Feng a été le premier à utiliser CRISPR-Cas9 pour réaliser l'édition génétique dans les cellules eucaryotes, mais il n'a pas réussi à remporter le prix. C'est peut-être parce que le travail de Zhang Feng est moins original et que sa contribution ressemble davantage à celle de Cohen et Boyer dans le domaine de la recombinaison cellulaire (le prix de chimie de 1980 a été décerné à Berger pour la recombinaison artificielle) ; et le Prix de Chimie accorde davantage d'attention aux résultats expérimentaux in vitro, et sa percée se reflète principalement dans les cellules.

CRISPR est déjà une technologie d’édition génétique très populaire en biomédecine. Ces dernières années, le développement rapide de cette technologie a été promu et appliqué à de nombreux domaines tels que la biologie, la médecine, l'agriculture et l'environnement, créant un lot de miracles de recherche scientifique, notamment dans le traitement des maladies génétiques, le dépistage et la détection des gènes liés aux maladies, le traitement des tumeurs, la transformation des animaux et des plantes, la prévention et le contrôle des micro-organismes pathogènes et d'autres domaines. Il a un potentiel énorme et aura un impact profond sur le monde entier.

1. Qu'est-ce que CRISPR ? Le nom complet de CRISPR est Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, qui se traduit en chinois par « répétitions palindromiques courtes régulièrement groupées ». Le sens littéral de ce mot est « représentant une séquence répétitive du même type avec des caractéristiques évidentes, un arrangement soigné et un ordre cohérent ». Il agit comme un système immunitaire adaptatif des bactéries. Lorsque l'ADN viral ou plasmidique étranger pénètre dans la cellule, les protéines Cas spécialisées coupent l'ADN étranger en petits fragments et les collent dans leurs propres fragments d'ADN pour les stocker. Lorsqu'elles sont à nouveau confrontées à une invasion virale, les bactéries sont capables de reconnaître le virus en fonction des fragments stockés et de couper l'ADN viral, le rendant ainsi inefficace[1].

Les scientifiques ont utilisé cette fonction de CRISPR pour le transformer en un nouvel outil moléculaire révolutionnaire. Grâce à sa capacité à localiser et à découper avec précision tout type de matériel génétique, les scientifiques peuvent plus facilement déchiffrer le code de vie de tout organisme sur Terre (y compris les humains).

1. Une brève histoire de CRISPR

Figure 1 : Bref historique du développement de CRISPR

La découverte et la dénomination de CRISPR remontent à 1987, lorsque le groupe de recherche Nakata de l'Université d'Osaka au Japon a découvert des séquences répétitives anormales chez des bactéries lors de l'analyse d'Escherichia coli [2]. Mais à cette époque, les gens ne savaient pas quelle était la fonction exacte de ces séquences répétitives, et elles n’avaient même pas encore été nommées officiellement. Ce n'est qu'à la fin des années 1980 que Francisco Mojica de l'Université d'Alicante en Espagne a découvert une séquence répétitive similaire chez une espèce d'archées [3], ce qui a suscité son grand intérêt. Dans des recherches ultérieures, il a continué à rechercher des structures similaires chez les micro-organismes et, en 2000, il avait trouvé des séquences similaires dans plus de 20 espèces microbiennes différentes[4]. En 2002, Ruud Jansen de l'Université d'Utrecht aux Pays-Bas a découvert que le nombre de bases dans les séquences répétitives variait considérablement selon les espèces et que de telles séquences n'existaient que chez les procaryotes. Afin de mieux standardiser les recherches connexes, ils ont nommé conjointement cette séquence répétitive « CRISPR ». . Plusieurs gènes liés à CRISPR sont nommés famille Cas (associée à CRISPR)[5].

Rôle biologique du système CRISPR-CAS En 2005, la recherche CRISPR a permis une découverte importante. Deux groupes de recherche (Mojica et Pourcel) ont observé que les séquences d'espacement entre les séquences répétées CRISPR ne provenaient pas des procaryotes eux-mêmes, mais de plasmides ou de virus [6-7]. Mojica a donc proposé l’hypothèse selon laquelle CRISPR est un système immunitaire adaptatif. La même année, le groupe de recherche de Bolotin a découvert Cas9 dans Streptococcus thermophilus et a prédit que cette grande protéine avait une activité nucléase. Ils ont également découvert que les séquences d'espacement homologues aux virus ont toutes une queue similaire, appelée séquence PAM (motif adjacent au protoespaceur), qui est cruciale pour la reconnaissance de la séquence cible.

Inspiré par cette hypothèse, le microbiologiste français Rodolphe Barragou, qui travaillait à l'époque pour la célèbre société de yaourt Danisco, décida de la vérifier pour résoudre le problème de l'infection par les phages et de la mort de Streptococcus thermophilus affectant la production de yaourt. En 2007, ils ont démontré expérimentalement que le système CRISPR est effectivement un système immunitaire adaptatif. Après avoir été envahi par un virus, Streptococcus thermophilus intègre une nouvelle séquence d'espacement du génome du phage, qui permet à la bactérie de résister à l'attaque lorsque le même virus envahit à nouveau[8]. La protéine Cas9 pourrait être nécessaire à la génération de cette immunité. C’est la première fois que CRISPR-Cas est confirmé expérimentalement comme étant un système immunitaire acquis par les bactéries.

La confirmation de la fonction biologique de CRISPR-CAS a fait prendre conscience à de nombreuses équipes de recherche de l’importance de ce système. Par la suite, de nombreuses équipes de recherche ont commencé à compléter les détails du mécanisme par lequel le système CRISPR-Cas interfère avec les bactériophages. En 2008, le groupe de recherche de John van der Oost a découvert chez Escherichia coli que la séquence d'espacement du bactériophage était transcrite en petit ARN, devenant ainsi de l'ARN CRISPR (crRNA) et guidant la protéine Cas vers l'ADN cible. La même année, Marraffini et Sontheimer ont démontré que la molécule cible du système CRISPR-Cas est l’ADN et non l’ARN. Ils ont également clairement souligné que si ce système était transféré à des systèmes non bactériens, il pourrait devenir un système d’outils puissant[9-10]. Cela a jeté les bases de l’édition génétique ultérieure.

En décembre 2010, l'équipe de Moineau a démontré que CRISRP-Cas9 coupe précisément en amont de la séquence PAM pour créer des cassures double brin dans l'ADN. En tant que caractéristique importante du système CRISPR de type II, Cas9 est la seule protéine nécessaire à la découpe et fonctionne avec les crRNA pour assurer la fonction d'interférence de CRISPR-Cas9[11].

En 2011, le groupe de recherche de Charpentier a séquencé de petits ARN dans Streptococcus pyogenes et a découvert qu'en plus du crRNA, il existait un autre petit ARN appelé tracrRNA. Le tracrRNA complète la séquence répétée du crRNA par 24 nucléotides pour former un double brin, guidant Cas9 vers l'ADN cible. À ce stade, l’énigme du mécanisme d’interférence naturel CRISPR-Cas9 est pratiquement complète [12].

L'émergence de la technologie d'édition génétique CRISPR-CAS En 2012, l'équipe de Charpentier et Doudna a collaboré non seulement pour prouver que Cas9 a la capacité de couper l'ADN double brin, mais aussi de lier le tracrRNA et le crRNA en sgRNA (ARN guide unique), et a confirmé dans des expériences in vitro que le sgRNA peut également guider la protéine Cas9 pour terminer la coupe de l'ADN double brin. Ils peuvent contrôler le site de ciblage de Cas9 en modifiant la séquence de crRNA[13]. L’équipe de Siksnys a ensuite rapporté les mêmes conclusions. Cette découverte constitue non seulement une étape importante dans le domaine du système immunitaire acquis par les bactéries, mais ouvre également un nouveau chapitre dans la technologie d’édition de gènes CRISPR-CAS. Bientôt, plusieurs articles publiés début 2013 ont appliqué avec succès le système CRISPR-Cas aux cellules de mammifères. Parmi eux, le groupe de recherche de l'Église a conçu un système CRISPR-Cas de type II, qui a ciblé avec succès des séquences spécifiques dans les cellules humaines 293T, les cellules K562 et les cellules souches pluripotentes induites en concevant un sgRNA, et plusieurs gRNA pourraient réaliser plusieurs éditions du gène cible[14]. Le laboratoire de Zhang Feng a démontré que le système CRISPR-Cas9 peut effectuer une découpe précise et spécifique au site dans les cellules humaines et murines, et a muté Cas9 en nickase, favorisant le processus de réparation d'homologie[15]. Le groupe de recherche de Qi a établi le système CRISPRi et a réalisé une mutagenèse dirigée simultanée de plusieurs gènes (Tet1, Tet2, Tet3, Sry et Uty) en utilisant plusieurs sgRNA[16]. Wu et al. ont utilisé le système CRISPR-Cas9 pour effectuer une thérapie génique sur des souris présentant une mutation Crygc dominante et ont obtenu une progéniture saine, fournissant une base pour l'utilisation du système CRISPR-Cas9 pour la thérapie génique des maladies génétiques[17].

En conséquence, la recherche et l’application du système CRISPR dans les domaines de l’édition de sites génétiques, du criblage du génome, de la régulation de la transcription génétique, de l’imagerie du génome, du diagnostic et du traitement génétiques et des applications écologiques dans une variété d’organismes ont commencé à exploser. Au cours des années suivantes, le laboratoire de Zhang Feng a encore développé le système d'édition de gènes CRISPR-CAS et a découvert non seulement le système CRISPR-Cas avec de grands avantages en termes de spécificité et d'édition multigénique : CRISPR-Cpf1[18], mais aussi les enzymes CRISPR Cas13a (C2c2)[19] et Cas13b[20] avec fonction RNase. En 2017, plusieurs articles ont étudié le mécanisme d’action du système CRISPR-Cas13, son application au diagnostic clinique et sa capacité à cibler l’ARN dans les cellules de mammifères.

1. Application de la technologie d’édition génétique CRISPR Le développement rapide de la technologie CRISPR lui a permis de continuer à créer des surprises dans les domaines de la médecine translationnelle et du traitement des maladies. En 2015, le magazine Science a publié une méthode permettant d’utiliser avec succès CRISPR pour traiter des modèles animaux de maladies génétiques. Ils ont utilisé le système CRISPR pour modifier le gène de la dystrophine, qui était capable de réparer la fonction musculaire des souris atteintes de dystrophie musculaire de Duchenne à des degrés divers, obtenant ainsi l'effet de traiter la DMD[21]. En 2018, une étude a confirmé que la technologie CRISPR avait été utilisée pour traiter avec succès quatre chiens atteints de DMD (dystrophie musculaire de Duchenne), rétablissant la protéine dystrophine dans leurs tissus musculaires et cardiaques à 92 % des niveaux normaux[22]. De plus, la technologie CRISPR a été combinée à l’immunothérapie cellulaire pour améliorer la thérapie CAR-T et renforcer la suppression tumorale chez la souris. Le premier essai clinique utilisant CRISPR-Cas9 pour éliminer le gène PD-1 dans les cellules T a été approuvé pour le traitement du cancer de la vessie invasif musculaire, du cancer de la prostate résistant à la castration, du cancer du rein métastatique et du cancer du poumon non à petites cellules métastatique, et les essais cliniques de phase I ont commencé en 2016 [23].
2. Autres applications de CRISPR À l’heure actuelle, CRISPR n’est pas seulement utilisé dans l’édition du génome, mais présente également un grand potentiel dans les tests génétiques. Dans une étude publiée dans Science en 2017, l'équipe de Doudna a découvert un phénomène intéressant : lorsque le système CRISPR coupe l'ADN double brin ciblé, l'activité enzymatique de l'ADN de Cas12 est activée [24]. Cette découverte fournit une nouvelle idée pour détecter si une cellule contient un certain ADN cible : le système CRISPR-Cas12a ciblant l'ADN et un gène rapporteur fluorescent ssADN non spécifique (rapporteur marqué FQ) sont délivrés dans la cellule en même temps. Une fois l'ADN cible détecté, le système CRISPR-Cas12a sera activé et, en même temps, le gène rapporteur fluorescent sera dégradé, libérant ainsi un signal fluorescent. Grâce à cette technologie, l’équipe de Doudna a développé le système DETECTR, qui peut détecter l’infection par le VPH 16 avec une précision de 100 % en une heure, pour un coût inférieur à un dollar par test. Parallèlement, l’équipe de Zhang Feng a également utilisé CRISPR-Cas13a pour développer le système SHERLOCK et le système SHERLOCKv2[25]. Contrairement à l’équipe de Doudna, le gène rapporteur fluorescent conçu par l’équipe de Zhang Feng doit être spécifique. C’est précisément cet avantage de « spécificité » qui permet à SHERLOCKv2 de détecter plusieurs séquences simultanément. L'équipe de Zhang Feng a également développé une méthode de détection de bandelette de test similaire à un bâtonnet de test de grossesse. Avec une seule bandelette de test, SHERLOCKv2 peut afficher les résultats du test d'infection virale, rendant la détection plus pratique. SHERLOCKv2 a également joué un rôle dans le développement de la technologie de détection du COVID-19 cette année.

Bien que DETECTR et SHERLOCK aient démontré leurs puissantes capacités de diagnostic, les chercheurs doivent encore faire beaucoup de travail pour garantir l’exactitude du diagnostic avant de les mettre en pratique en clinique. Nous pensons que ces nouveaux outils de diagnostic réécriront les futures technologies de diagnostic, notamment en fournissant une aide précieuse pour diagnostiquer les infections virales dans les pays en développement où les conditions sanitaires sont relativement mauvaises et les virus très répandus. .

Références

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