Un système de modification génique très ciblé, CRISPR/Cas9, bouleverse la recherche, transforme l’étude de l’évolution, relance la thérapie génique, pourrait bouleverser les écosystèmes…

Un mécanisme naturel, une découverte, une révolution à travers la biologie l’écologie et la médecine ?

Un mécanisme de modification ciblée de l’ADN – découvert dans l’industrie du yogourt au  Danemark – protège les bactéries d’attaques virales répétées. Les bactéries intègrent de courtes séquence de l’ADN viral intercalées avec des séquences palindromes appelés CRISPR pour former une sorte de « mémoire immunitaire » . Ensuite les ARN produits avec ces séquence guideront une enzyme Cas9 vers l’ADN correspondante (target) pour découper alors spécifiquement l’ADN viral.

Les caractéristiques les plus spécifiques de ce mécanisme sont la spécificité très grande (il cible très précisément une séquence d’ADN), la modularité (L’ARN et la protéine sont distincts : on peut facilement produire l’ARN target sans devoir changer l’enzyme; et on peut modifier l’enzyme sans perdre la spécificité de l’ARN), enfin la possibilité de le combiner avec les mécanismes de réparation pour non seulement couper mais remplacer une séquence par une autre.

Des potentiels innombrables…

D’innombrables chercheurs, ingénieurs, médecins, et parfois bricoleurs ont développé, à partir de ce mécanisme naturel, d’innombrables applications qui soulèvent des enjeux éthiques en rapport avec les énormes potentiels de ces mécanismes.

En recherche fondamentale on parvient aujourd’hui à faire en quelques jours – ou semaines – et de manière ciblée des modifications qui demandaient des mois ou des années. En médecine on explore de nouvelles approches pour la thérapie génique – plus ciblées. En écologie, on étudie un système de transmission génétique (Gene-drive) qui permettrait en peu de temps de retirer le potentiel de transmission de maladie à à quasi tous les individus d’une espèce (moustiques par exemple). En évolution, des approches expérimentales deviennent possibles  : au lieu d’être limité à la comparaison des différences que le hasard des fossiles et des ADN actuels nous offre – aussi sophistiquée et complexe que puissent être ces analyses elles ne permettent en général pas une vérification empirique – , on peut désormais modifier des espèces et explorer l’effet de gènes pour déterminer les effets développementaux : par exemple une  confirmation expérimentale de l’origine commune des doigts et des rayons des nageoires (Nakamura, T., et al., 2016). Les membres Expériment@l peuvent accéder à ces textes)

A vrai dire cette avalanche étourdissante de nouveautés et de changements de perspective peut être intimidante même pour les plus à jour des enseignants … Nous avons ainsi organisé ;

Une formation continue pour mieux comprendre ces techniques et potentiels

Une formation continue pour mieux comprendre ces techniques et potentiels avec un chercheur, Fabrizo Thorel PhD, qui les emploie quotidiennement, avec une spécialiste des enjeux bioéthiques Prof Samia Hurst, avec une perspective historique par le Prof. Bruno Strasser et les implications sur l’enseignement et les applications possibles en classe par F. Lombard PhD en didactique de la Biologie.  Cours  PO-16421

« Modifier les génomes et les écosystèmes : enjeux scientifiques et éthiques » détails et inscription ici
« La révolution CRISPR/Cas9 transforme la recherche, ouvre presque à tous la modification génétique et pourrait transformer des écosystèmes »


L’histoire d’une découverte montre que la sciences est autant affaire de femmes que d’hommes

par Isabelle Collet

Emmanuelle Charpentier: a key inventor of the                gene-editing technology CRISPR–Cas9.La co-découverte de ce mécanisme a changé la vie d’Emmanuelle Charpentier (Abbott, A. (2016)) et peut constituer un exemple montrant aux élèves que la science est autant affaire de femmes que d’hommes.

Cet article retrace le parcours de recherche d’une scientifique d’exception, qui a, après des études à Paris, monté des laboratoires dans le monde entier afin de poursuivre ses recherches et sa passion.

Cet article a aussi l’avantage de la présenter comme une scientifique d’excellence, sans tomber dans les travers des stéréotypes sexués sur les femmes : l’auteur nous parle de ses recherches et de son parcours, en laissant de côté les questions de vie privée ou les remarques esthétiques.

Bref, un article sur une scientifique hors du commun comme on aimerait en lire plus souvent.

Cette possible candidate au Prix Nobel montre de manière claire la bêtise des propos d’un de ces confrères Timothy Hunt, Prix Nobel de médecine, qui avait provoqué consternation et indignation sur les réseaux sociaux et dans la communauté scientifique. Il avait déclaré en 2015 au sujet des femmes : « trois choses se passent quand elles sont dans les labos: vous tombez amoureux d’elles, elles tombent amoureuses de vous, et quand vous les critiquez, elles pleurent. »

Le fait que la Royal Society britannique se soit instantanément distancié des propos malheureux d’un de ses membres prestigieux et ce type d’articles commence a exister dans la presse sont peut-être des preuves d’une prise de conscience du sexisme dans les sciences et d’une volonté de le faire reculer.

D’ailleurs la co-découverte avec Jennifer Doudna – une femme aussi – leur a valu la prestigieuse récompenses du prix Breakthrough !  » For harnessing an ancient mechanism of bacterial immunity into a powerful and general technology for editing genomes, with wide-ranging implications across biology and medicine. »
Ces exemples sont peut-être des role models pertinent dans le cadre du Plan d’action mathématiques et sciences de la nature (MSN)


Pour approfondir CRISPR/Cas9, et pour venir à la Formation Continue inscription ici avec des questions …

Plus de détails sur les mécanismes et enjeux à partir des publications Bio-Tremplins

la revue Nature a un dossier thématique: Special: CRISPR

CRISPR everywhere A special issue explores what it means to be living in an age of gene editing.

La revue Science : The CRISPR revolution

Des dossiers dans les revues de vulgarisation

Un très bon dossier avec Emmanuelle Charpentier elle-même publié dans La Recherche.

Plus vulgarisé et sensationnaliste mais suscite bien les questions auprès des élèves.

  • Science et Vie Abdoun, E. et al. (2016)  évoque et illustre magnifiquement  « Les 9 promesses de CRISPR/Cas9 :
    • optimiser les gènes pour doper les individus,
    • soigner toutes les maladies,
    • corriger le patrimoine génétique de toute sa descendance,
    • inventer de nouveaux animaux de compagnie,
    • produire des OGM mais sans ADN étranger,
    • immuniser des animaux vecteurs de maladies,
    • ressusciter des animaux disparus, sauver des espèces en danger. »

Ce dossier se termine par un article qui présente quelques réflexions sur le plan éthique.


Pour approfondir de manière plus ciblée

Voici quelques extraits de ce que proposent les spécialistes pour vous faire envie de lire plus… (c’est l’effet Tremplins ;-)

Des applications en recherche

La recherche fondamentale a été profondément modifiée par cette technique ( il y a plus de 2140 articles mentionnant CRISPR dans Nature à l’heure ou j’écris ces lignes)
On parlait déjà en 2013 de la folie CRISPR (Pennisi, E. (2013).

CRISPR/Cas9 rend possible l’expérimentation en évolution

Callaway, E. (2016) indique que la possibilité de modifier facilement un gène dans un organisme permet des expérience pour vérifier des hypothèses. L’étude de l’évolution repose principalement sur l’induction à partir de données d’observation. Des expériences que CRISPR/Cas9 rendent possible ont – par exemple – permis de vérifier le lien entre rayons des nageoires et doigts chez les vertébrés (Nakamura, T., et al. 2016) Callaway indique :

« So far, the edits have tended to simply inactivate genes. But evo-devo scientists will soon start swapping genes between distantly related beasts to learn the origins of adaptations such as multicellularity and the anus, to name but two problems troubling the field. Our ability to access and analyse ancient DNA means that we can now insert genes from extinct animals into the genomes of their living relatives.
These sorts of experiments could draw evo-devo fancifully close to de-extinction, the quest to resurrect woolly mammoths and other long-dead animals. But every upturned urinal is not a Dadaist masterwork, and the idea behind the experiments is what matters. These ‘hopeful CRISPR monsters’ could confirm or reject decades-old theories about key events in evolution, and help us to come up with new ones. »

Des potentiels cliniques… et des limites évolutives

Puisqu’il s’agit à l’origine d’un mécanisme contre les virus, l’idée de l’utiliser contre les virus humains s’est immédiatement imposée et les premiers essais sont en cours.

Malheureusement (et sans surprise pour ceux qui ont compris que  « rien en biologie n’a de sens qu’à la lumière de l’évolution » ( Dobzhansky, T.,  1973) ) la sélection parmi d’innombrables mutations a apparemment révélé des souches de virus insensible à CRISPR/Cas9 : les imperfections dans les mécanismes de  copie du virus accélèrent les mécanismes évolutifs…
Notez qu’on peut discuter le ton assez finaliste ou téléologique du journaliste qui rapporte cette recherche (on sent presque la « ruse » du virus pour contrer efforts des chercheurs ) …

« HIV can defeat efforts to cripple it with CRISPR gene-editing technology, researchers say. And the very act of editing — involving snipping at the virus’s genome — may introduce mutations that help it to resist attack. »  […] « DNA sequencing revealed that the virus had developed mutations very near the sequence that CRISPR’s Cas9 enzyme had been programmed to cut. To some extent, this was not a surprise: HIV has already shown the ability to evolve resistance to all manner of antiviral drugs (as well as the human immune system). This happens because its genetic material is copied by enzymes that are prone to error. Most mistakes stop the virus working, but occasionally a mutation is beneficial for HIV, allowing it to evade attack. « 

Des potentiels en thérapie génique ?

Alors que les espoirs pour la thérapie génétique étaient un peu retombés au tournant du siècle, de récents succès relancent cette approche et CRISPR/Cas9 ouvre de nouvelles voies prometteuses . Notamment parce que CRISPR/Cas9 ouvre la possibilité de modifier de manière ciblée le gène défectueux plutôt que de rajouter un gène. Une des limites des premières approches – d’inspiration très Mendelienne il me semble-  était d’imaginer qu’il suffit d’introduire le gène ( l’allèle dominant) dans le génome pour qu’il guérisse puisqu’il est dominant. Or on sait maintenant que l’ADN n’est pas une simple longue ficelle (Bio-Tremplins du 14 novembre 2011) et l’endroit où on insère le gène thérapeutique n’est pas indifférent du tout …

Des potentiels de modification d’embryons…

Les premiers essais avec  CRISPR/Cas9 sur des humains sont en cours…

Des potentiels pour le bricoleur ou le parent soucieux de ses enfants

CRISPR/Cas9 rend bien plus accessible la modification génique… peut-être à la portée de tous ?

Certains envisagent même de modifier eux-mêmes les gènes de leurs propres enfants pour les soigner :

Des scientifiques responsables

Evidemment des questions éthiques innombrables se posent et les scientifiques eux-mêmes ont convoqué une  réflexion cet hiver sur les potentiels et enjeux de la modification génique chez l’humain

Des potentiels agricoles ou en élevage, des obstacles éthiques levés ?

La facilité et la rapidité de  ces mécanismes sont évidemment d’un grand intérêt pour les industriels.
Le mécanisme de modification CRISPR/Cas9 semble bien plus précis et pourrait éviter plusieurs des problèmes comme les séquences d’antibio-résistances restées dans les OGM, le lieu d’insertion imprévisible ou l’apport éthiquement problématique de séquences d’une autre espèce.
Par exemple

Le terme d’OGM suggère que l’on modifierait les gènes. Jusqu’à présent les OGM sont plutôt des organismes génétiquement incrémentés (OGI ?) : on ajoute un gène, en général sans retirer ni modifier – du moins volontairement – de gène. Le Système CRISPR/Cas9 promet de modifier le gène visé : de changer une séquence « en place ». Cela diminue les risques d’effets secondaires, et évite ainsi l’insertion d’un gène « étranger » et serait à ce titre moins susceptible de réactions anti-OGM :  « produire des OGM mais sans ADN étranger « Abdoun, E. et al. (2016) .

J’avoue une certaine perplexité sur cet argument. Je pense que les oppositions sont fondées par une conception naïve essentialiste : l’ADN humain serait intrinsèquement différent de celui d’autres espèces. L’apport d’un ADN d’une autres espèce menace la nature même de l’individu qui le reçoit. Par extension, toute intervention dans cet ADN – même pour en enlever ou modifier quelques bases avec CRISPR/Cas9 – en perturberait la nature.

  • Coley, J. D., & Tanner, K. (2015). Relations between Intuitive Biological Thinking and Biological Misconceptions in Biology Majors and Nonmajors. CBE-Life Sciences Education, 14(1), ar8. doi: 10.1187/cbe.14-06-0094

Gene-Drive, l’allèle super-dominant : une réaction en chaîne rend possible une modification forcée de l’autre gamète ?

Combiné avec le mécanisme de réparation homologue de l’ADN qui existe dans les cellules, des chercheurs ont réussi à élaborer une construction génique qui va sélectivement s’insérer et remplacer une séquence par celle qu’il apporte, en insérant également de quoi répéter l’opération. Ce système permet une diffusion exponentielle d’un allèle dans une population, même s’il n’apporte pas d’avantage sélectif. Le mécanisme est décrit notamment à partir d’ici :

Habituellement un changement génétique prend longtemps pour se répandre dans la population, car une seule copie du gène muté est transmis à chaque fécondation et donc seule la moitié des descendants reçoit la copie mutée.
Mais  Gene-Drive (mécanisme et liens ici) assure que la mutation produite par CRISPR sur un chromosome se recopie sur le chromosome homologue à chaque génération, assurant que presque tous les descendants de l’individu muté portent la mutation. La mutation se répand alors exponentiellement dans la population comme une sorte de réaction en chaine.


Fig.  4:  Gene Drive assure une sorte de transmission forcée de l’allèle muté et transforme un hétérozygote en homozygote. [img] source  Scopus; Patents: The Lens; Funding: NIH RePORTER.

Les limites de ce modèle dans une perspective évolutive sont discutées par des chercheurs (si de telles éliminations de populations entières se produisaient aussi facilement, ce mécanisme qui existe depuis es millions d’années n’aurait-il pas fait des dégâts observables et laissé des traces dans l’évolution des espèces, disions-nous dans Bio-Tremplins ici)
Cette question est discutée – et une réponse un peu rassurante est apportée – par des chercheurs notamment ici

« The alteration of wild populations has been discussed as a solution to a number of humanity’s most pressing ecological and public health concerns. Enabled by the recent revolution in genome edit- ing, CRISPR gene drives, selfish genetic elements which can spread through populations even if they confer no advantage to their host organism, are rapidly emerging as the most promising ap- proach. But before real-world applications are considered, it is imperative to develop a clear un- derstanding of the outcomes of drive release in nature. Toward this aim, we mathematically study the evolutionary dynamics of CRISPR gene drives. We demonstrate that the emergence of drive- resistant alleles presents a major challenge to previously reported constructs, and we show that an alternative design which selects against resistant alleles greatly improves evolutionary stability. We discuss all results in the context of CRISPR technology and provide insights which inform the engineering of practical gene drive systems. »

D’ailleurs l’existence de ces même mécanismes évolutifs est manifeste par le fait qu’ils ont restreint les espoirs dans la lutte contre le HIV : des mutations de la séquence du Virus l’ont rendu insensible à l’attaque de CRISPR/Cas9  comme indiqué plus haut dansCallaway, E. (2016).

Encore une fois … « rien en biologie n’a de sens qu’à la lumière de l’évolution » ( Dobzhansky, T.,  1973)

  • Dobzhansky, T. (1973). Nothing in biology makes sense except in the light of evolution. American Biology Teacher, 35(3), 125-129.

Des applications en classe ?

Le système CRISPR/Cas9 est probablement plus simple à comprendre pour nos élèves que la modification génique classique surtout comme elle a été faite historiquement avec le gène de l’insuline, les clones bactériens dont le plasmide a effectivement reçu le gène de l’insuline révélés par le gène ßgal qui ne s’exprime plus et la coloration…

Faut-il leur enseigner ce qui va être le principal mécanisme dans leur vie de citoyen ou celui que nous connaissons bien ? La question ne peut plus être éludée…

Le système CRISPR/Cas9 pose quelques questions qui permettent des activités

  • Pourquoi l’évolution a-t-elle sélectionné une longueur d’une vingtaine de bases pour la séquence « target » – environ la même longueur que les primers de la PCR ?  Expérimentation possible pour les élèves : déterminer la longueur minimale qui assure une bonne spécificité en utilisant BLAST avec des séquences de taille décroissante :   Scénario 6

De nouvelles activités expérimentales
On sait qu’un savoir s’enseigne seulement si des activités d’élèves peuvent être proposées aux élèves et si il est facile de composer des épreuves et d’évaluer ces travaux (Chevallard, Y., 1991).  Peut-être que cela explique – en partie – le succès qui ne se dément pas de la Génétique de Mendel dans les programmes.

  • Chevallard, Y. (1991). La transposition didactique. Du savoir savant au savoir enseigné (2e éd. revue et augmentée, 1985 1re ed.). Grenoble: La Pensée sauvage.

D’autres applications en classe seront discutées à la formation continue ici
La didactique est encore à inventer sur ces questions, mais peut-être que certains d’entre vous ont déjà inventé des scénarios innovants ?
Venez les partager à la formation continue ici

Gene-Drive le gène qui s’impose – ou la dominance que les élèves imaginent en étudiant Mendel ?

Gene-Drive est une exception ( de plus…) au modèle de Mendel … L’examen d’un tableau des zygotes produits (tableau de Punett) avec Gene-Drive peut être une manière de discuter- par contraste – les effets du modèle mendélien lois en distinguant le cas Gene-Drive du cas normal.
On pourrait les aider à prendre conscience de leurs modèles naifs en leur faisant produire un tableau de Punett d’un croisement monohybride avec dominance simple et le même avec Gene-Drive sur l’allèle récessif ou sur l’allèle dominant  ?

Modèle Mendélien Gris blanc
Gris GG Gb
blanc Gb bb

Cela pourrait donner par exemple avec Gene-Drive

Avec l’allèle b muni de
Gene-Drive => -gd
Gris blanc-gd
Gris GG bb
blanc-gd bb bb

En effet de nombreux élèves semblent – dans mon expérience – imaginer que les allèles dominants s’imposent lors d’une fécondation. S’il est erroné par rapport à  celui de Mendel, ce modèle naïf préfigure assez bien Gene-Drive !
Paradoxalement, les faire comparer ce qui se passe avec Gene-Drive et la classique ségrégation mendélienne pourrait aider à révéler leur modèle naïf et  peut-être le dépasser ?

Mettre les élèves dans la position de discuter d’anciens documents d’enseignement pourrait les aider à prendre la mesure des progrès de la science ?

Sources :

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