Nouvelles techniques de modification génétique

Quelles sont les nouvelles techniques de modification génétique?

Les nouvelles méthodes de génie génétique regroupent des techniques très diverses. La cis- et l'intragénèse ne diffèrent guère du génie génétique "classique" bien connu. Certains organismes sont produits par une combinaison de techniques de génie génétique suivies d’un processus de sélection conventionnelle. Actuellement, deux types de techniques ont accéléré et multiplié notre capacité d’intervention dans les mécanismes du vivant. D’une part, les méthodes d’édition génomique sont utilisées pour modifier de manière permanente le matériel génétique des organismes vivants. D’autre part, l’interférence ARN réduit au silence l’expression de gènes encombrants sans forcément nécessiter une modification du génome. La plus utilisée est la technologie de l’édition génomique.

Ces nouvelles techniques représentent une étape significative dans notre capacité à modifier le matériel génétique par rapport aux méthodes de génie génétique existantes. Les nouveaux outils ont déjà déclenché une montée en puissance des applications du génie génétique dans la sélection végétale et animale. Ils permettent un retour à la xénotransplantation et à la thérapie génique et rendent possible la thérapie génique au travers de la modification des cellules souches chez l'homme et la manipulation génétique des populations animales et végétales sauvages. En bref, elles nous permettent de modifier le patrimoine génétique de la planète.

Malgré le faible niveau de connaissances et le manque de recul sur les conséquences de l’utilisation de ces techniques et nos modifications sur la stabilité des génomes, l'industrie de la biotechnologie exige que ces méthodes soient exemptées de la réglementation existante en matière de génie génétique. Toutefois, plusieurs experts indépendants concluent que ces techniques entrent dans le champ d'application de la législation européenne sur le génie génétique.

Édition génomique

L’édition génomique se réfère à diverses méthodes de biologie moléculaire qui sont utilisées afin de couper dans le matériel héréditaire et copier/coller de nouvelles séquences d’ADN à l’endroit de la coupure. Celle-ci est basée sur l’utilisation de ciseaux à gènes, CRISPR/Cas9. Ces ciseaux coupent dans le génome et permettent de muter, modifier et insérer des gènes existants ou entièrement synthétiques dans une multitude d’organismes végétaux et animaux et de passer outre la barrière des espèces. Par rapport aux méthodes conventionnelles, ces méthodes permettent une augmentation du nombre de changements fait au génome et sont applicables à un nombre plus important d’organismes vivants. Les plus importantes sont les "nucléases programmables" et la "mutagénèse dirigée par oligonucléotides " (OgM). L’édition génomique permet de modifier de manière plus rapide de courtes séquences du génome et donc de multiplier les mutations. Les changements artificiels peuvent inactiver les gènes ou modifier leur fonction. Ce qu'ils ont en commun, c'est qu'ils utilisent des mécanismes de réparation cellulaire pour apporter les changements souhaités au génome.

Nucléases programmables

Les "nucléases programmables" sont des enzymes qui lient un point précis, une séquence cible de quelques paires de bases d’ADN , dans le génome puis coupent à cet endroit comme des ciseaux. Les nucléases peuvent être programmées pour couper à un endroit choisi du génome une longueur d'ADN précise. Les scientifiques peuvent donc choisir quel gène couper et combien il faut couper dans le génome de l’organisme de leur choix. Puisque les nucléases provoquent des coupures double brin dans l'ADN, ceci déclenche à son tour des mécanismes de réparation cellulaire de l’ADN qui peuvent être de deux types. Un qui reconstitue presque sans erreur la séquence d’origine et un qui introduit des erreurs. Il est difficile de contrôler quel mécanisme est utilisé, mais il est décisif pour les effets de la procédure. La séquence du gène coupé peut être inactivée en insérant ou en enlevant des bases individuelles ou remplacée par une autre séquence fonctionnelle (p. ex. un autre gène). Plusieurs types de nucléases sont utilisés avec des précisions et des effets secondaires divers (liens):

Nucléases à doigts de zinc
TALEN
CRISPR/Cas9

Interférence à ARN (lien)

L'interférence à ARN utilise la capacité de petits ARN à bloquer l’expression de tous les gènes qui leur sont identiques en séquence. Ceci permet de bloquer l’expression des gènes de manière ciblée. Ces fragments d’ARN peuvent être :1) synthétisés directement dans l’organisme cible à partir d’un fragment d’ADN intégré artificiellement dans le génome et, donc, un OGM est créé ou 2) pulvérisés depuis l’extérieur et, donc, une nouvelle classe de pesticides aux effets inconnus est créée.

Effets hors cible au lieu de précision

Même si les rapports sur l'édition génomique affirment souvent le contraire: il n'est pas question de la précision annoncée des nouvelles méthodes.
Puisque les nucléases ont une tolérance de plusieurs paires de bases, de nombreuses autres séquences d'ADN, en plus de la séquence cible, peuvent potentiellement être modifiées par effet « hors cible".
L’interférence à ARN et la mutagénèse dirigée par oligonucléotides sont aussi basées sur de petits fragments d’acide nucléiques (oligonucléotides). La précision de ces méthodes dépend de la capacité des fragments à se lier à une séquence qui leur est identique dans le génome. La précision de cette reconnaissance n’est pas de 100%. De plus, de par leur petites tailles par rapport au génome et comme la séquence du génome entier est souvent inconnue, il est probable que ces fragments ne lient pas uniquement à la séquence cible mais reconnaissent aussi des séquences « hors cible ».

En outre, l'idée commune selon laquelle les méthodes d'édition du génome peuvent être utilisées pour créer ou (ré)activer des fonctions spécifiques d’un gène est très réductionniste et repose sur des simplifications inadmissibles. La plupart des gènes largement étudiés ont différentes fonctions dans différents tissus, à différents stades de développement ou peuvent avoir un effet sur différentes cascades de signalisation en même temps. Comme pour le génie génétique conventionnel, les effets tant sur la structure du génome que son expression sont négligés. Les plantes et les animaux apparaissent comme des " kits de construction " dans lesquels il est possible " bricoler " à volonté. Or les gènes ne sont pas des entités bien définies et l’information ne passe pas de manière linéaire en génome – cellule – organismes – environnement. Le système est non linéaire en constante régulation.
De plus, pour certaines nucléases comme CRISPR qui dérivent du système immunitaire bactérien, le fait de pouvoir couper des séquences qui ne sont pas totalement homologues fait du sens d’un point de vue évolutif ; cela permet de pouvoir s’adapter à la mutation des virus bactérien que CRISPR est censé combattre (‘Hybridization kinetics explains CRISPR-Cas off-targeting rules’, Misha Klein, Behrouz Eslami-Mossallam, Dylan Gonzalez Arroyo, Martin Depken, Cell Reports DOI: 10.1016/j.celrep.2018.01.045. )

Les méthodes d'édition génomique sont-elles seulement une nouvelle variante de la mutagénèse conventionnelle?

Dans le débat sur la classification juridique des nouvelles méthodes de génie génétique, des tentatives délibérées sont faites pour brouiller la frontière entre le génie génétique et la sélection conventionnelle de mutation naturelle. L'idée est de donner l'impression que les modifications du matériel génétique, induites par génie génétique, sont pratiquement identiques à celles de la sélection conventionnelle. Même s'il s'agit de petites mutations ponctuelles, les méthodes de culture conventionnelles s'appliquent toujours à la cellule entière ou à l'organisme entier et n'interfèrent pas directement avec l'ADN dans le noyau cellulaire. Les organismes ont des mécanismes génétiques de défenses contre les mutations. Celles qui demeurent sont permises par les systèmes de régulation génomique. En revanche, les méthodes de génie génétique modifient le matériel génétique directement au niveau de l'ADN. Ils peuvent donc contourner et/ou manipuler partiellement les mécanismes de régulation des gènes et/ou du génome. C’est une forme de hacking qui peut avoir des conséquences inattendues qu’il convient d’évaluer.

Pour aller plus loin quelques publications ...

 

CRISPR Cas9

CRISPR/Cas9

Un outil révolutionnaire pour modifier les génomes naturels

Le système CRISPR/Cas est un outil développé en 2012 qui nous vient du système immunitaire bactérien. Il permet d'éteindre, de changer, d'ajouter ou d'enlever des gènes de manière plus rapide et moins chère qu'avant.

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OgM1

ODM

Mutagénèse dirigée par oligonucléotide
Avec cette technique, de courts fragment d'ADN synthétique appelés "oligonuléotides" sont introduit dans la cellule. Avec cette introduction, des mécanismes de réparation de l'ADN propres aux cellules sont activés et utilisent le fragment introduit comme modèle et le copie. L'idée est d'introduire une muatation à une endroit choisi du génome pour par exemple créer une plante tolérante à un herbicide.

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TALEN

TALEN (transcription activator-like effector nucleases)

Nucléases programmées

La procédé TALEN est également basée sur l'utilisation de nucléases programmées pour trouver des séquences cibles d'ADN spécifiques et couper le brin d'ADN.

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RNAi

Interférence ARN (RNAi)

Les nouvelles fonctionnalités peuvent présenter des risques sanitaires et environnementaux

L'interférence ARN (ARNi) est un processus cellulaire interne dans lequel des molécules d'ARN sont utilisées pour éteindre des gènes (silencing) au travers de la destruction de l'ARNmessager qui est le véhicule de l'information entre le gène et la protéine.

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ZFN

Nucléases à doigt de zinc

Le plus petit de tous les ciseaux à gènes connus.

Comme pour d'autres méthodes d'édition de génomes, le ZFN est utilisé pour modifier sélectivement l'ADN en insérant, enlevant ou remplaçant certains segments d'ADN à des endroits spécifiques.


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