CRISPR-Cas9

Modifier un gène a longtemps été une opération longue, coûteuse et imprécise. Depuis 2012, CRISPR-Cas9 permet de le faire en quelques semaines, dans presque n’importe quel organisme, pour un coût modeste. Ses découvreuses, Emmanuelle Charpentier et Jennifer Doudna, ont reçu le prix Nobel de chimie 2020, huit ans seulement après leur publication : un délai exceptionnellement court qui mesure l’ampleur de la révolution.

D’où vient CRISPR ?

Un système immunitaire bactérien

CRISPR signifie Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, « courtes répétitions palindromiques groupées et régulièrement espacées ». Ce sont des séquences répétées dans l’ADN de nombreuses bactéries, séparées par de petits fragments variables.

• En 1987, une équipe japonaise dirigée par Yoshizumi Ishino remarque ces répétitions étranges chez la bactérie E. coli.
• Au début des années 2000, le microbiologiste espagnol Francisco Mojica et d’autres chercheurs constatent que les fragments intercalés proviennent de virus : la bactérie garde en mémoire des morceaux des virus qui l’ont attaquée.
• En 2007, des chercheurs de l’entreprise Danisco (dont le Français Philippe Horvath) démontrent sur des bactéries lactiques qu’il s’agit d’un système immunitaire : lors d’une nouvelle infection, la bactérie produit un ARN copié de ces fragments, qui guide une enzyme Cas vers l’ADN du virus pour le découper.

L’outil de 2012

En juin 2012, Emmanuelle Charpentier et Jennifer Doudna publient dans la revue Science la démonstration que l’on peut reprogrammer ce système : en fabriquant un ARN guide sur mesure, on dirige Cas9 vers n’importe quelle séquence d’ADN choisie. Dès 2013, plusieurs équipes, dont celle de Feng Zhang au Broad Institute, l’appliquent à des cellules humaines. Une longue bataille de brevets a opposé les institutions de ces chercheurs.

Comment fonctionne CRISPR-Cas9 ?

1. On conçoit un ARN guide d’une vingtaine de bases, complémentaire de la séquence à modifier.
2. L’ARN guide s’associe à Cas9, une enzyme capable de couper les deux brins de l’ADN.
3. Le complexe parcourt le génome et s’arrête là où l’ARN guide trouve sa séquence complémentaire, à côté d’un court motif reconnu par Cas9 (le PAM).
4. Cas9 coupe la double hélice à cet endroit précis.
5. La cellule répare la coupure, et c’est cette réparation que l’on exploite.

La réparation rapide (jonction d’extrémités non homologues) introduit souvent de petites erreurs qui inactivent le gène. Si l’on fournit un modèle d’ADN, la cellule peut l’utiliser pour réparer, ce qui permet de corriger une mutation ou d'insérer une séquence.

Les variantes plus précises

Couper les deux brins de l’ADN n’est pas sans risque. De nouvelles générations d’outils ont été développées :

Les applications

En médecine

La première thérapie fondée sur CRISPR, Casgevy (exagamglogène autotemcel), a été autorisée fin 2023 au Royaume-Uni et aux États-Unis, puis en 2024 dans l’Union européenne, contre la drépanocytose et la bêta-thalassémie sévères. On prélève les cellules souches sanguines du patient, on les modifie en laboratoire pour relancer la production d’hémoglobine fœtale, puis on les réinjecte. D’autres essais portent sur des maladies héréditaires de l’œil, du foie, du cholestérol, sur certains cancers (cellules immunitaires modifiées) et sur le VIH.

En recherche

CRISPR est devenu un outil de laboratoire courant : inactiver un gène pour comprendre sa fonction, créer des modèles animaux ou cellulaires de maladies, cribler des milliers de gènes à la fois.

En agriculture

L’édition du génome permet de produire des plantes résistantes à des maladies, à la sécheresse, ou de modifier leur composition. Dans l’Union européenne, la Cour de justice a jugé en 2018 que ces plantes relèvent de la réglementation des OGM ; un assouplissement pour certaines « nouvelles techniques génomiques » est en discussion.

Limites et enjeux éthiques

• Les effets hors cible : Cas9 peut couper ailleurs que prévu, sur des séquences ressemblantes. Les versions récentes ont réduit ce risque sans l’éliminer.
• Le mosaïcisme : dans un embryon, toutes les cellules ne sont pas forcément modifiées de la même façon.
• La modification germinale : modifier un embryon, un ovule ou un spermatozoïde transmettrait le changement à toute la descendance. En novembre 2018, le chercheur chinois He Jiankui a annoncé la naissance de jumelles dont il avait modifié le gène CCR5 au stade embryonnaire. L’annonce a provoqué une condamnation internationale, et il a été condamné en Chine à trois ans de prison. En France et dans les pays ayant ratifié la convention d’Oviedo (1997), toute modification du génome transmissible à la descendance est interdite.
• Le coût et l’accès : les premières thérapies coûtent plus d’un million d’euros par patient, alors que la drépanocytose touche surtout l’Afrique subsaharienne.

Questions fréquentes

CRISPR est-il un OGM ?

Un organisme modifié par CRISPR est un organisme génétiquement modifié au sens technique. Dans l’Union européenne, il est juridiquement traité comme un OGM depuis l’arrêt de 2018, même lorsque la modification pourrait aussi apparaître naturellement.

Peut-on soigner toutes les maladies génétiques avec CRISPR ?

Non. Il faut connaître la mutation en cause, pouvoir acheminer l’outil jusqu’aux bonnes cellules (le principal obstacle) et s’assurer de l’absence d’effets indésirables. Les maladies dues à de nombreux gènes à la fois sont hors de portée pour l’instant.

Pourquoi le prix Nobel n’a-t-il récompensé que deux personnes ?

Le prix Nobel ne peut être partagé qu’entre trois personnes au plus. Le comité a distingué la démonstration de 2012 faisant de CRISPR un outil programmable ; les travaux antérieurs de Mojica, Horvath et d’autres, essentiels, n’ont pas été récompensés.