Mutations et réparation de l'ADN

La molécule d'ADN subit en permanence des attaques physiques, chimiques ou biologiques. Plusieurs systèmes de réparation veillent sur l'intégrité du patrimoine génétique.

Publié le 25 janvier 2018
       
LES DIFFÉRENTS TYPES DE MUTATIONS,
LES AGENTS MUTAGÈNES
Les mutations génétiques
Au moment de la division, la cellule déclenche le processus de réplication de l’ADN pour en obtenir une copie. De temps en temps, le système produit quelques erreurs : ce sont les mutations. Le plus souvent, elles sont sans conséquence, puisqu’il y a 98 % de chances qu’elles tombent dans une partie du génome qui ne code pas pour la synthèse d’une protéine (ADN non-codant).
D’autres mutations, en revanche, peuvent modifier la composition ou la quantité d’une protéine et être à l’origine d’une maladie génétique. Parmi les différents types de mutations, certaines sont ponctuelles avec perte, addition, ou substitution d’une seule base. Mais elles peuvent aussi concerner des zones plus larges et occasionner de plus grandes perturbations.

Les agents mutagènes

D’autres sources, environnementales ou liées aux activités de l’Homme, peuvent également modifier l’ADN. Les facteurs mutagènes sont biologiques, physiques ou chimiques. La Nature s’est dotée d’agents particulièrement efficaces, les virus, dont certains peuvent tuer. Les rayons UV, X et la radioactivité sont des agents physiques à la méthode radicale : ils cassent la molécule d’ADN. Quant aux agents mutagènes chimiques, ils sont légions ; par exemple : le benzopyrène, présent dans la fumée de cigarette, le trichloréthylène, utilisé comme solvant dans les pressings...


Stress cellulaire et réponse aux agressions
Autonome, la cellule n'en dépend pas moins de son environnement, des cellules qui l'entourent et du milieu dans lequel elle vit. À chaque minute, elle défend son équilibre et son intégrité. Elle fait face aux situations de stress grâce à des voies de signalisation qui lui permettent d'identifier son agresseur et de vérifier l'intégrité de son système. Selon l'importance des dommages, elle décide alors de se réparer ou de se donner la mort.

Les signaux d'alerte
Par quoi une cellule peut-elle être stressée ? Une infection virale ou bactérienne, des produits toxiques, des rayonnements (UV, ionisants, rayons X…), des mutations génétiques, le manque d'eau ou de nutriments… La cellule contrôle un très grand nombre d'informations qu'elle reçoit de son environnement et de son propre système. Sa survie dépend de sa capacité à s'informer de façon continue. Quand les signaux témoignent d'un problème, par exemple des cassures double-brin dues à des rayonnements ionisants, un système d'alerte se déclenche. Les voies de signalisation sont nombreuses, complexes et encore peu connues.

La réparation de l'ADN
Lorsque la cellule a évalué les dégâts comme modérés, une voie de réparation, spécifique pour chaque type de dommage, est activée. Dans le cas de cassures double-brin par exemple, des protéines se chargent de la réparation. Mais cela peut parfois générer des mutations et mener jusqu'à une instabilité génétique et au développement d'un cancer. Pour étudier ces mécanismes de réparation, il existe un modèle tout à fait intéressant : la bactérie Deinococcus deserti.
Elle tolère des doses très élevées de radiations gamma et UV et de longues périodes de déshydratation extrême. Cette extrême tolérance est liée à la réparation très efficace de dommages massifs de l'ADN, notamment des cassures double-brin qui sont létales chez la plupart des organismes. Un ensemble de processus, à la fois actifs (réparation efficace de l'ADN) et passifs (super-compaction de l'ADN, protection des protéines contre l'oxydation) contribuent à sa radio-tolérance.

La mort programmée
Une cellule se sacrifie pour l'organe et l'organisme. En cas de réparation difficile ou impossible, elle déclenche son apoptose. Cette mort cellulaire, contrairement à la nécrose, est programmée. Elle se déroule suivant un enchaînement de phénomènes complexes : la chromatine se condense et la cellule se fragmente en corps dits apoptotiques qui sont ensuite détruits. Les étapes de déclenchement sont contrôlées par 3 gènes et les différentes phases de la destruction cellulaire seraient contrôlées par une dizaine d'autres. Que se passe-t-il en cas de dysfonctionnement de ce processus ? L'équilibre entre croissance et mort cellulaire est rompu, l'intégrité de l'organisme n'est plus assurée. Dans le cas d'une prolifération des cellules néfastes, l'organisme peut développer un cancer. La stimulation de l'apoptose, quant à elle, peut conduire l'organisme à se retourner contre lui-même. C'est le cas pour le Sida qui affaiblit par pyroptose accrue des lymphocytes TCD4, diminue les défenses immunitaires de l'organisme et prépare un terrain favorable à des maladies opportunistes.

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L'ADN et la médecine génomique personnalisée

Publié le 30 novembre 2017
 
Chaque individu est unique. Les particularités de chacun sont essentiellement explicables par l’ADN qui, comme un plan d’architecte, codifie tout notre organisme. Mais il n’est pas figé et peut évoluer sous l’influence de son environnement.  L’ADN code également les risques de développer certaines maladies. Il impacte l’efficacité de certains traitements, notamment contre le cancer. Sa prise en compte dans la médecine constitue un enjeu majeur pour adapter les traitements en fonction des dispositions génétiques de chacun. C’est ce qu’on appelle la médecine génomique personnalisée. Mais la connaissance de l’ADN des individus n’est pas le seul facteur à considérer pour comprendre notre organisme. De plus, elle pose de nombreuses questions éthiques.
QU’EST-CE QUE L’ADN ?

L’ADN se trouve dans la plus petite unité du vivant : la cellule. En son cœur est rassemblé l’ensemble de nos caractères héréditaires : le génome. Une molécule d’ADN ressemble à une échelle qui s’enroule sur elle-même. Chaque barreau de cette échelle est constitué de deux petites molécules différentes, appelées bases ou nucléotides. On en dénombre 4 différentes : adénine (A), thymine (T), cytosine (C) et guanine (G). Elles sont dites complémentaires car elles s’apparient toujours de la même façon (A avec T et C avec G). Ce code génétique est universel à tous les êtres vivants.
Déroulé, l’ADN mesurerait 1 mètre de haut et serait 1 000 fois plus fin qu’un cheveu. Lors de la division cellulaire, l’ADN se compacte et s’organise en bâtonnets, appelés chromosomes. Leur nombre varie d’une espèce à l’autre. L'Homme possède 46 chromosomes répartis en 23 paires : 22 paires d'autosomes et 1 paire de gonosomes ou chromosomes sexuels, appelés X et Y. Les hommes possèdent un chromosome X et un chromosome Y. Les femmes possèdent 2 chromosomes X. Par comparaison, le riz possède 24 chromosomes et la mouche 8. L’analyse des chromosomes humains permet par exemple de connaître le sexe d’un individu ou de déceler certaines maladies génétiques comme la trisomie 21 (possession de 3 copies du chromosome 21).

Historique des découvertes et avancées sur l’ADN et la génétique
La découverte de la structure de l’ADN a lieu dans les années 50. Il faudra pourtant attendre 2003 pour réussir à déchiffrer entièrement tout l’ADN du génome humain. Aujourd’hui les progrès réalisés dans les technologies de séquençage permettent de développer une médecine génomique personnalisée.
Découvrez en animation-vidéo l’histoire des principales avancées dans le domaine de l’ADN et de la génétique.

Vidéo
La découverte de l'ADN
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A quoi sert l’ADN ?
Certains enchainements de nucléotides dans l’ADN fournissent des instructions qui commandent la synthèse de protéines ; ce sont les gènes.  Unités de base de l’hérédité, ils déterminent ce que nous sommes et comment nous fonctionnons (couleur des yeux, groupe sanguin…). Il en existe environ 21 000 chez l’Homme. La plupart des gènes code une protéine et le rôle qu’elle jouera dans l’organisme. Certaines participent au transport, à la signalisation cellulaire… D’autres, comme les enzymes, catalysent des réactions chimiques. Les gènes peuvent être comparés aux parties d’un plan d’un architecte de notre organisme.

    
QU’EST-CE QUE L’ÉPIGÉNÉTIQUE ?
Comment expliquer la différence entre une cellule du foie et un neurone alors que toutes les deux renferment le même patrimoine génétique ? Par l’épigénétique, science qui établit le lien entre les caractères observables (phénotypes) et l’ensemble des gènes (génotypes). Pour faire un parallèle, si l’organisme vivant était  une voiture ; la génétique serait l’établi sur lequel sont exposées toutes les pièces mécaniques et l’épigénétique la chaîne d’assemblage des différents éléments. Ainsi, l’épigénétique joue le rôle de chef d’orchestre en indiquant pour chaque gène à quel moment et dans quel tissu il doit s’exprimer.
Suite à la découverte des premiers mécanismes épigénétiques qui régulent l’expression des gènes, les chercheurs ont appris à désactiver l’expression d’un gène à des fins thérapeutiques.
Complémentaire à la génétique, l’épigénétique donne une vue plus complète de la machinerie cellulaire et révèle une surprenante complexité dans les régulations de l’expression génique. Elle ouvre des perspectives dans la compréhension et le traitement de nombreuses maladies.

QU’EST-CE QU’UNE MUTATION DE L’ADN ?
L’ADN code tous les organismes vivants. Avec le temps, il peut évoluer lors de la création de nouvelles cellules ou en réponse à son environnement.
Lorsqu’elle se divise, la cellule déclenche le processus de réplication de l’ADN pour en obtenir une copie. De temps en temps, le système produit quelques erreurs : ce sont les mutations. Le plus souvent, elles sont sans conséquence, puisqu’elles ont lieu dans les 98% du génome qui ne codent pas pour la synthèse d’une protéine (ADN non-codant ayant d’autres fonctions comme la régulation de l’expression des gènes).
D’autres mutations, en revanche, peuvent modifier la composition ou la quantité d’une protéine et être à l’origine d’une maladie génétique.
D’autres sources, environnementales ou liées aux activités de l’Homme, peuvent également modifier l’ADN.
Les facteurs mutagènes sont :
*         Biologiques. Dans la nature il existe des agents biologiques particulièrement efficaces, les virus, dont certains peuvent tuer.
*        
*         Physiques. Les rayons UV, X et la radioactivité sont des agents physiques qui adoptent une méthode radicale : ils cassent la molécule d’ADN.
*        
*         Chimiques. Ils sont très nombreux, par exemple : le benzopyrène, présent dans la fumée de cigarette, le trichloréthylène, utilisé comme solvant dans les pressings...

QU’EST-CE QUE LA MÉTAGÉNOMIQUE ?
Le génome donne de nombreuses informations sur un individu. Cependant, le fonctionnement de nos cellules et de notre corps est également influencé par les quelques centaines de milliards de bactéries qui le colonisent. L’ADN de toutes ces bactéries correspond au métagénome.
L’analyse du métagénome d’un individu est importante car celui-ci influence le développement de certaines maladies comme le diabète, l’obésité ou encore certains cancers. De nouvelles thérapies reposent sur la métagénomique pour soigner certains cancers.

LA MÉDECINE GÉNOMIQUE PERSONNALISÉE
Identifier les gènes responsables de certaines maladies
Pour mieux soigner les maladies, il est nécessaire de connaître leurs causes. Analyser l’ADN pour trouver les gènes qui en sont responsables permet des diagnostics et pronostics (prévision de l’évolution d’une maladie) plus sûrs.
En 2016, les gènes responsables de plus de la moitié des 7 275 maladies monogéniques (maladie provoquée par la mutation d’un seul gène) recensées ont été identifiés. Ces performances ont été rendues possibles grâce au perfectionnement en temps et coût du séquençage et du génotypage de l’ADN. Pour que cette identification soit pertinente, il est nécessaire de rassembler une importante base de données de génomes de personnes saines ou malades afin de séquencer, analyser et comparer les données.

Adapter les traitements aux gènes des individus
Depuis peu, la médecine se rend compte des limites de donner le même traitement à différents patients atteints d’une même maladie. Les taux de réponse aux traitements traditionnels varient entre 20 et 80 %. Les différences génétiques individuelles peuvent être plus ou moins responsables de l’efficacité des traitements.
Dans le cadre du traitement du cancer, les différents traitements possibles pourront être testés sur les cellules tumorales du patient. Séquencer les tumeurs peut également permettre de trouver le traitement le plus efficace.
En juin 2016, la France se lance officiellement dans la bataille mondiale de la médecine génomique personnalisée avec le plan « France Médecine Génomique 2025 ».  Ce dernier vise notamment à intégrer le séquençage de l’ADN dans la prise en charge des patients. Pour cela, le plan prévoit de déployer un réseau de douze plateformes de séquençage à haut débit du génome couvrant l’ensemble du territoire.

    
LES ENJEUX DE LA MÉDECINE GÉNOMIQUE PERSONNALISÉE
La médecine génomique suscite de nombreux espoirs. A court/moyen terme, elle révolutionnera la médecine en donnant les bons traitements ciblés directement sur le patrimoine génétique. A plus long terme, elle permettra également, en comprenant les mécanismes génétiques à l’origine des maladies monogéniques, de développer de nouvelles thérapies qui corrigent l’ADN pour soigner les cellules malades.

Le développement de la médecine génomique personnalisée pose également de nombreuses questions pratiques et éthiques.

D’un point de vue pratique :

*         Pour fonctionner correctement, la médecine génomique nécessite un nombre important de séquençages d’ADN de personnes saines et malades. C’est uniquement par de larges études qu’il sera possible d’identifier les marqueurs génétiques qui permettront de proposer des traitements adaptés aux patients.
*        
*         La seule compréhension du génome humain ne suffit pas. L’être humain est un écosystème constitué de son génome mais aussi du génome des bactéries qui le colonisent. Pour progresser dans la médecine génomique personnalisée, il faut également prendre en compte la métagénomique et l’épigénétique (mécanismes qui agissent sur l’expression de l’ADN). Là encore, l’analyse poussée des données d’un grand nombre de patients sera nécessaire.
*        
*         L’entrée de la génétique dans l’ère du big data requiert l’acquisition de supercalculateurs et d’algorithmes pour pouvoir traiter d’énormes bases de données.
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*         La sécurité des données est un dernier enjeu si on cherche à constituer une importante base de données de génomes humains.
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D’un point de vue éthique :
*         Les pratiques doivent être encadrées afin d’éviter certaines dérives comme le choix de gènes ou de gamètes lors de la procréation médicalement assistée par exemple.
*        
*         L’analyse de l’ADN permet de connaître les prédispositions génétiques d’un individu sur de nombreuses maladies. Mais on peut se demander s’il est préférable de vivre dans l’ignorance ou de connaître les risques de développer une maladie génétique ? Actuellement, en France, seuls des tests ciblés sur des gènes qui pourraient être responsables de maladies sont réalisés sur prescription médicale.

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Edition génomique

Sous titre:

Des ciseaux moléculaires pour modifier les génomes avec précision

L’édition génomique

génomique
Étude conduite à l’échelle du génome, portant sur le  fonctionnement de l’organisme, d’un organe, d’une pathologie...
permet d’effectuer des modifications génétiques ciblées dans tout type de cellule, grâce à des ciseaux moléculaires spécifiques. Disponibles depuis les années 80, ces outils ont gagné en efficacité et en spécificité au cours du temps. En 2012, l’avènement du système CRISPR-Cas9, caractérisé par sa très grande simplicité et son coût modeste, a révolutionné cette approche : l’édition génomique a désormais gagné tous les domaines de la science et de la médecine.
Elle permet aux chercheurs d’effectuer les modifications génétiques de leur choix, afin de développer des modèles cellulaires et animaux sur mesure, pour progresser dans la connaissance du développement des organismes vivants, des maladies, ou encore pour tester des molécules thérapeutiques. Des premiers essais cliniques se fondant sur cette approche ont débuté, visant à à traiter des maladies monogéniques, certains cancers ou encore des maladies infectieuses.
       

Dossier réalisé en collaboration avec Carine Giovannangeli (unité 1154 Inserm/CNRS/MNHN, équipe Edition du génome, réparation des cassures double-brin de l’ADN et réponses cellulaires Paris), Anne Galy (unité 951 Inserm/Université d'Evry Val d'Essonne/Ecole pratique des hautes études, Integrare et unité de service 35, Accélérateur de recherche technologique en Thérapie génomique, Généthon, Evry) et Hervé Chneiweiss, président du Comité d'éthique de l'Inserm

Comprendre l’édition génomique

Modifier une séquence d’ADN de façon ciblée
L’édition du génome (de l’anglais genome editing) consiste à modifier le génome d’une cellule avec une grande précision. Il est possible d’inactiver un gène, d’introduire une mutation ciblée, de corriger une mutation particulière ou d’insérer un nouveau gène. Cette technique de génie génétique fait appel à des nucléases
nucléases
Enzyme capable de couper des acides nucléiques au niveau des liaisons phosphodiesters.
modifiées, appelées « ciseaux moléculaires ».
Ces nucléases coupent l’ADN à un endroit prédéfini du génome, dépendant de sa séquence. Un système de réparation naturel de l’ADN (NHEJ pour Non-Homologous End-Joining) se met alors en marche, pour « recoller » ensemble les deux extrémités libres générées par la coupure. Mais ce système de réparation introduit des erreurs, conduisant à la mutation du gène ciblé par la nucléase. Dans ce cas, la mutation introduite est donc aléatoire.
Il est également possible de modifier la séquence visée selon ses souhaits. Il faut alors délivrer à la cellule, en plus des nucléases, un brin d’ADN présentant la séquence désirée, flanquée d’extrémités homologues à celles du site de coupure. Un autre système cellulaire de réparation va alors intervenir (la recombinaison homologue) et « incorporer » la séquence d’ADN fournie au moment de la réparation, conduisant à son insertion définitive dans le génome.

L’édition de base : l’édition génomique sans coupure d’ADN
Récemment, des nucléases Cas ont été transformées pour qu’elles ne coupent plus le site du génome reconnu : la nucléase sert de point d’ancrage pour l’acheminement d’autres protéines capables de transformer une base de l’ADN en une autre, induisant ainsi une mutation ciblée sans coupure. Cette technique, l'édition de base, pourrait s’avérer particulièrement intéressante dans les cellules où les processus naturels de réparation des cassures de l’ADN sont peu performants, rendant l’édition génomique classique (avec coupure double brin) inefficace.
L’ensemble de ces techniques fonctionnent dans tous les types de cellules : humaines, animales, végétales, bactériennes, adultes ou embryonnaires.

Plusieurs types de ciseaux moléculaires disponibles
Toutes les nucléases utilisées pour l’édition génomique sont dérivées de systèmes bactériens naturels. Ce sont des enzymes dites de restriction, capables de couper l’ADN double brin à des endroits spécifiques. Ces enzymes sont modifiées en laboratoire pour reconnaitre et couper les séquences souhaitées dans l’ADN.

Les méganucléases
Ces protéines sont des enzymes de restriction extrêmement spécifiques, capables de reconnaître et de cliver une séquence d’ADN en s’assemblant par paire de sous-unités identiques (homodimères). Leur répertoire naturel étant limité, l’ingénierie de nouvelles méganucléases est nécessaire afin de pouvoir cibler un site particulier dans un génome. De ce fait, cette approche est difficile et réservée aux spécialistes de ce système. Leur utilisation est très limitée.  

Les nucléases à doigts de zinc
Ces protéines artificielles sont composées de peptides
peptides
Enchaînement d’acides aminés. L’assemblage de plusieurs peptides forme une protéine.
dits à doigts de zinc, qui reconnaissent une séquence d’ADN, et d’une nucléase (FokI) qui coupe l’ADN. Chaque peptide à doigt de zinc reconnaît une courte séquence de trois nucléotides
nucléotides
Molécule de base de l’ADN et de l’ARN.
: l’assemblage de plusieurs d’entre eux permet de cibler des séquences plus longues, de manière plus spécifique. En outre, pour couper, les nucléases à doigt de zinc agissent à deux, sur deux sites proches l’un de l’autre. Cela permet une action catalytique des enzymes FokI. Une modification génomique nécessite donc deux nucléases à doigts de zinc, dont la construction et l’assemblage sont très complexes. Cela limite leur utilisation.

Les TALENs
Les TALENs (pour Transcription Activator Like-Effectors) sont également utilisés par paires, ciblant deux séquences d’ADN proches. Ils comprennent un domaine de fixation à l’ADN composé d’une combinaison de quatre peptides, chacun de ces peptides reconnaissant spécifiquement une des quatre bases de l’ADN. En jouant sur l’enchainement de ces peptides, il est possible de cibler une séquence d’ADN spécifique. Ce domaine de fixation est associé à une nucléase Fok1 qui assure la coupure double brin.

Comme avec les nucléases à doigt de zinc, un travail d’ingénierie protéique est nécessaire pour construire et assembler les TALENs destinés à l’édition génomique. Des programmes informatiques permettent de faciliter ce travail comme E-Talen et une bibliothèque de TALENs pouvant reconnaitre plus de 18 700 gènes est disponible. Les TALENs sont plus faciles à produire que les nucléases à doigt de zinc et présentent une très bonne efficacité.


CRISPR-Cas
Cette fois c’est un ARN
ARN
Molécule issue de la transcription d'un gène.
guide (CRISPR pour Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), et non une protéine, qui reconnait la séquence cible à couper. Il est associé à une nucléase Cas, le plus souvent Cas9, qui coupe l’ADN à cet endroit précis.
Disponible depuis 2012, le système CRISPR-Cas9 a révolutionné l’édition génomique par sa simplicité. Les scientifiques l’utilisent désormais quotidiennement dans tous les domaines de recherche : médecine, agronomie, environnement, etc. Fabriquer des ARN guides est infiniment plus facile que fabriquer des protéines. C’est aussi beaucoup plus rapide (quelques jours, contre plusieurs semaines ou mois pour la fabrication de nucléases à doigt de zinc ou de TALENs) et beaucoup moins coûteux.
À peine trois mois après le développement de cet outil, plusieurs laboratoires publiaient déjà des résultats obtenus avec cette technique, confirmant son potentiel. Cinq ans après, plusieurs milliers d’articles de recherche - fondamentale ou appliquée, conduite chez d’innombrables espèces, visant toutes sortes d’applications - étaient publiés.

CRISPR/CAS9 : une méthode révolutionnaire

Une utilisation dans tous les domaines du vivant et particulièrement en recherche biomédicale
L’édition génomique est utilisée dans différents domaines : l’agroalimentaire pour produire des espèces améliorées (par exemple des moutons et des veaux avec une masse musculaire accrue en Amérique du sud), l’agronomie (par exemple avec la modification génétique d’espèces végétales envahissantes, pour limiter leur croissance) et bien sûr la santé. Et ce, à tous les niveaux de la recherche : fondamentale, appliquée et clinique. Toutefois, l’ensemble de ces travaux en est encore largement au stade expérimental.

Produire des modèles animaux
L’édition génomique permet de développer de nouveaux modèles animaux (moutons, vaches, furets, lapins, porcs, etc.), en modifiant le patrimoine génétique d’embryons grâce au système CRISPR-Cas9 avant de les transférer chez des femelles. Les chercheurs peuvent ainsi disposer à volonté de modèles animaux variés et adaptés à l’étude du développement, de pathologies ou pour des essais thérapeutiques.
Deux singes macaques génétiquement modifiés sont par exemple nés en 2014, suite à l’introduction de mutations dans deux gènes différents, l’un étant impliqué dans le métabolisme et l’autre dans l’immunité. Ces naissances ont prouvé que l’obtention de primates non humains génétiquement modifiés est possible pour étudier des maladies. Jusque-là, ce type de travaux n’étaient presque exclusivement possibles que sur des souris, des drosophiles et des poissons zèbres.

Produire des modèles cellulaires
Outre les modèles animaux, il est possible de produire des modèles de cellules en culture sur mesure. Jusque-là, l’étude de maladies rares était notamment limitée par la difficulté à disposer de cellules homozygotes pour une mutation récessive rare. Désormais, il est possible de créer ces mutations à partir de cellules saines ou d’inactiver l’un des allèles chez des individus hétérozygotes pour cette mutation rare.

Soigner par la thérapie génique
En permettant d’introduire un gène sain ou de corriger une mutation dans les cellules d’un patient, l’édition génomique ouvre la voie à de potentielles thérapies géniques. Mais elle se confronte aux mêmes difficultés que les autres techniques de thérapie génique, en particulier en ce qui concerne la vectorisation de l’ADN thérapeutique et les nucléases (l’étape qui consiste à faire entrer ce matériel dans les cellules à traiter).
Plusieurs possibilités s’offrent aux chercheurs pour une intervention ex vivo (les cellules à traiter sont prélevées chez les patients, modifiées au laboratoire, puis réadministrées au patient). La nucléase Cas peut être délivrée sous différentes formes (ADN, ARN ou protéine) avec l’ARN guide, et plusieurs méthodes de délivrance sont possibles, comme l’application d’un champ électrique (électroporation) ou l’utilisation de vecteurs chimiques qui augmentent la perméabilité des membranes cellulaires. Néanmoins les vecteurs viraux restent très performants, en particulier les lentivirus et les adénovirus pour des essais conduits in vivo.

Pour en savoir plus sur la thérapie génique

Guérir d'un coup de ciseaux, vraiment ?

Les enjeux de la recherche
L’immense majorité des travaux d’édition génomique concerne la recherche fondamentale ou pré-clinique, pour étudier les maladies, le développement normal ou pathologique et tester des molécules thérapeutiques. Néanmoins quelques essais cliniques ont débuté chez l’humain contre des maladies monogéniques, mais également en infectiologie ou encore cancérologie.
Un essai démarre chez des patients atteints d’hémophilie B. Des nucléases à doigts de zinc seront adressées vers leurs cellules du foie grâce à un vecteur viral
vecteur viral
Virus modifié qui sert à apporter un gène thérapeutique aux cellules.
(AAV). L’objectif est d’introduire une copie saine du gène codant pour le facteur IX de coagulation dans une région active du génome, permettant son expression en continu. Des essais de phase I débutent également pour le traitement de maladies lysosomales
maladies lysosomales
Elles sont causées par un défaut génétique affectant le lysosome, organite chargé d’éliminer les composants issus du métabolisme. Ceux-ci s’accumulent alors dans la cellule, ce qui finit par entraîner un dysfonctionnement des organes.
dues à un défaut de production de l’enzyme IDUA (alpha-L-iduronidase) : les mucopolysaccharidoses. Là encore, la stratégie testée consiste à utiliser des nucléases à doigts de zinc, adressées vers les hépatocytes de patients, pour forcer l’expression de l’enzyme déficiente.
Un essai de phase II est en cours en infectiologie, contre le VIH. Il repose sur l’utilisation de nucléases à doigts de zinc, ex vivo dans des cellules souches hématopoïétiques non infectés de patients. L’objectif est d’inactiver le gène CCR5. La mutation de ce gène étant connue pour protéger de l’infection par le VIH, les chercheurs espèrent rendre les cellules modifiées résistantes au virus et rétablir l’immunité des patients. Des essais sont par ailleurs en cours avec différentes sortes de nucléases dans le traitement de la dysplasie utérine. L’idée est d’éliminer le virus HPV 16 ou 18 dans les cellules précancéreuses : la persistance de cette infection contribue en effet à l’apparition de cancers et à leur mauvais pronostic. Le traitement testé consiste à inactiver des protéines virales (E6 et E7) associées à cette persistance.
Dans le domaine du cancer, l’édition génomique permet aussi d’armer les lymphocytes T de patients contre leur propre tumeur. La modification a lieu ex vivo, après prélèvement des cellules sanguines, et consiste à faire exprimer un récepteur synthétique (ou CAR pour Chimeric Antigen Receptor) qui reconnait des antigènes
antigènes
Molécule capable de déclencher une réponse immunitaire.
tumoraux. Une autre approche consiste à éliminer un frein à l’activation des cellules immunitaire : elle a été utilisée dans le lymphome
lymphome
Cancer du système lymphatique qui se développe aux dépens de lymphocytes.
B, avec des cellules T modifiées pour être capables de cibler l’antigène tumoral de surface CD19. Plusieurs essais cliniques démarrent également pour tester l’inactivation du gène PD-1 afin de stimuler le système immunitaire contre des stades avancés de cancers de l’œsophage, du poumon, des voies nasopharyngées ou encore de lymphomes. Des cellules sanguines seront prélevées chez les patients, modifiées génétiquement avec CRISPR-Cas9, multipliées puis réinjectées.

CRISPR-Cas9 chez l’embryon humain
Des équipes chinoises et américaines ont testé la technique CRISPR-Cas9 chez l’embryon humain pour corriger une mutation conférant la bêta-thalassémie ou une autre mutation associée à une pathologie cardiaque grave. Il s’agit de recherche fondamentale destinée à évaluer l’efficacité et la sécurité de CRISPR-Cas9 sur des embryons qui sont ensuite détruits. Les effets jusqu’ici obtenus restent largement perfectibles : le pourcentage d’embryons modifiés est faible et le risque de mosaïcisme (c’est-à-dire le risque que les cellules d’un même embryon ne possèdent pas toutes le même patrimoine génétique) est élevé.
Concernant des modifications génétiques qui seraient transmissibles à la descendance, la France a ratifié la convention d’Oviedo qui interdit d’effectuer ce type de travaux. Pour de nombreux organismes scientifiques et comités éthiques, dont celui de l’Inserm, même si la convention d’Oviedo était modifiée, il est à ce stade inenvisageable de recourir à une intervention chez un embryon qui serait destiné à faire naitre un enfant, faute de garanties d’efficacité et de sécurité suffisantes.

Le risque de mutations hors cible et autres
Comme pour tous les médicaments, un risque majeur de l’édition génomique en thérapie est celui d’avoir des effets indésirables.
Dans le cas de l’édition génomique, il existe en particulier un risque de créer des mutations hors cible, en dehors de la zone initialement visée. Les nucléases ciblent en effet des séquences spécifiques d’une longueur de 15-20 bases, mais elles peuvent couper « par erreur » des séquences très proches qui ne se distinguent que par une seule base. Ces mutations non désirées peuvent modifier l’expression de gènes qui n’étaient pas ciblés, les inactiver, voire conduire à l’apparition de cancers. Actuellement, des approches de séquençage complet du génome des cellules génétiquement modifiées ex vivo permettent, en principe, de vérifier l’absence de mutations hors cibles. La bonne représentativité de ces contrôles reste à vérifier. Ce problème devra être réglé avant de mener des essais in vivo. Des outils bio-informatiques sont développés dans ce but, pour mieux prédire le risque de mutations hors cibles et garantir une meilleure spécificité des nucléases. En outre, la performance et la spécificité de ces dernières continuent d’être améliorées.
D’autres difficultés ont été identifiées telles que le mosaïsme : au cours d’une expérience, toutes les cellules faisant l’objet d’une tentative d’édition génomique ne sont pas génétiquement modifiées de façon strictement identiques à la fin de celle-ci. Cela s’explique par le fait que cette technique fait appel aux processus naturels de réparation de l’ADN et que ceux-ci peuvent inégalement intervenir d’une cellule à l’autre.
Enfin, l’absence de recul ne permet pas de statuer sur la sécurité à long terme d’une modification génétique provoquée dans une cellule. Les essais cliniques qui démarrent apporteront de précieuses informations sur la tolérance et la sécurité de cette approche. Ils permettront notamment de savoir, d’ici deux ou trois ans, si les effets hors cible sont maîtrisés.

L’édition épigénomique
Une nouvelle variante de l’édition génomique appelée édition épigénomique a été proposée. Elle utilise le système CRISPR-Cas, mais la nucléase Cas ne coupe pas l’ADN : elle permet d’importer des molécules régulatrices de la transcription pour bloquer ou au contraire stimuler l’expression d’un gène ciblé. La séquence du gène n’est donc pas modifiée.
La preuve de concept
preuve de concept
Démonstration de l’intérêt d’une invention ou d’une technologie.
a été apportée fin 2017 in vivo chez la souris, avec l’activation forcée de gènes impliqués dans le contrôle du diabète, de la dystrophie musculaire de Duchenne et d’une maladie rénale aigue.
Cette approche écarte le risque de mutation hors cible, même si des effets secondaires de fixation hors cible peuvent exister. De plus, elle évite la modification irréversible du patrimoine génétique d’une cellule.

Les préoccupations éthiques
L’utilisation tous azimuts de l’édition génomique soulève des questions éthiques, d’autant que les premières applications se dessinent alors que la technique n’est pas parfaitement maitrisée.
C’est notamment le cas pour le guidage de gène. Cette stratégie permet de modifier génétiquement (par CRISPR-Cas9) une population d’animaux en forçant un gène modifié à se transmettre. Le but est de la rendre résistante à une maladie ou encore de la stériliser si l’espèce est considérée comme nocive. Le guidage de gènes pourrait être utilisé pour contrôler des espèces végétales envahissantes ou pour éliminer la résistance aux herbicides ou pesticides. Il est également envisagé pour lutter contre des vecteurs de transmission de maladies, comme les moustiques impliqués dans la transmission du paludisme ou de la dengue. Une étude test, menée au Panama en 2015, semble soutenir l’efficacité de la technique : elle aurait permis de réduire les populations de moustique Aedes aegypti qui transmettent la dengue.

Ces pratiques soulèvent beaucoup de questions, outre celles déjà discutées sur les effets hors cible : quel est le risque de contamination à des espèces autres que la population cible ? Quel est l’impact écologique et pour la biodiversité de l’éradication d’insectes pollinisateurs et nourriciers pour les larves de poissons ? Quels sont les risques à long terme pour l’espèce ? Comment arrêter efficacement la propagation du gène en cas de perte de contrôle de la technologie ? Des évaluations doivent être réalisées sur des périodes longues, avec l’élaboration de scénarios multiples par des équipes pluridisciplinaires combinant biologie moléculaire, écologie, sciences sociales, pour une évaluation prudente de la balance bénéfice/risque à long terme.
D’autres questions se posent avec la modification génétique d’espèces à des fins commerciales. Ainsi, en Argentine et en Uruguay, des fermes expérimentales modifient le génome de moutons et de veaux pour augmenter la taille de leurs muscles dans le but de produire deux fois plus de viande. Quelles sont les conséquences pour la qualité de vie animale et pour les consommateurs ?
Chez un embryon humain qui serait destiné à faire naître un enfant, ce type d’intervention est totalement inenvisageable à ce stade, faute de garanties d’efficacité et de sécurité suffisantes. Mais à terme, si la technique devient sûre et fiable, elle pourrait être utilisée dans des indications rares et très précises : par exemple pour éviter la transmission d’une maladie grave quand les deux parents en sont atteints et que le risque de donner naissance à un enfant malade est de 100%. Il s’agira alors de corriger la mutation chez l’embryon ou même en amont, au niveau des cellules germinales
cellules germinales

À l'origine de la formation des gamètes, leurs gènes sont transmis à la descendance.

avant la fécondation. L’académie de médecine s’est prononcée en faveur de cette possibilité si la technologie atteint l’efficacité et la sureté nécessaires. Mais la plus grande vigilance devra s’imposer pour éviter toute dérive en faveur de modifications génétiques « de confort ».
A lire aussi : Edition du génome : des possibilités inouïes qui posent des questions éthiques.

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L'ADN : DÉCHIFFRER POUR MIEUX COMPRENDRE LE VIVANT

La cellule, le patrimoine génétique


La brique élémentaire de tous les êtres vivants est la cellule. Elle renferme en son sein une molécule qui porte son patrimoine génétique.

Publié le 25 janvier 2018


Les êtres vivants ont pu s’adapter à tous les milieux et coloniser l’ensemble des écosystèmes marins et terrestres ! Que ce soit une bactérie, un homme, un lichen ou une sauterelle, tous les organismes ont quelque chose en commun : la cellule. Autonome, elle vit, se reproduit et meurt.

AU CŒUR DE LA CELLULE
Les cellules sont les plus petites unités du vivant. Pour les voir, il suffit d’un microscope car une cellule animale mesure en moyenne 20 micromètres. Elles se classent en deux types : les procaryotes et les eucaryotes. Les premières, de simples poches de liquide contenant des biomolécules, délimitées par une membrane et ne comportant pas de noyau, sont dites “ primitives ”. Les bactéries sont les principaux représentants de cette confrérie. Les cellules eucaryotes sont plus organisées, avec différents compartiments ayant chacun un rôle à jouer, comme le noyau.


        1 - Le noyau : centre de contrôle de la cellule. Il contient le matériel génétique sur lequel est inscrit le mode d'emploi de tout organisme. Chaque cellule utilise le génome d'une façon différente. Elle a son propre mode d'emploi.

*         2 - Les lysosomes : centres de recyclage. Ce sont de petits sacs qui concentrent les substances à détruire et les enzymes nécessaires à cette destruction.

*         3 - Les ribosomes : usines de production des protéines. Ils synthétisent des protéines à partir des instructions données par le noyau.

*         4 - L'appareil de Golgi : centre de tri. Dans ces sacs empilés les uns sur les autres s'achève la préparation de protéines synthétisées dans la cellule en vue de leur exportation.

*         5 - Le cytoplasme : agora de la cellule. Délimité par la membrane plasmique, le cytoplasme est constitué d'eau et de biomolécules et contient les divers organites cellulaires (noyau, mitochondries…).

*         6 - Les mitochondries : centrales énergétiques. Elles sont le siège de la respiration cellulaire et de la production d'énergie.



L’Homme est composé de 5 000 à 30 000 milliards de cellules.


* Au sein d’un organisme, les cellules peuvent avoir des formes et des fonctions différentes mais elles contiennent toutes, dans leur noyau, les mêmes informations génétiques, le même patrimoine. Chez les eucaryotes pluricellulaires, les cellules sont réunies en tissus. Un tissu est composé de plusieurs types de cellules avec des fonctions bien distinctes, mais il y a souvent un type cellulaire prédominant remplissant la même fonction, comme les hépatocytes dans le foie.
*
* Différents tissus peuvent s’associer pour former un organe et plusieurs organes peuvent contribuer à une même grande fonction physiologique. Les cellules germinales sont fabriquées par l’appareil reproducteur. De l’union du patrimoine génétique d’un spermatozoïde et de celui d’un ovule naîtra un nouvel individu. Les cellules de l’œuf se multiplieront et se différencieront pour produire les centaines de lignées de cellules spécialisées, dites somatiques, qui constitueront la peau, le cerveau, le tube digestif… de ce nouvel individu.
*
* D’après la découverte de fossiles de stromatolithes1 dans les lagunes australiennes, la vie aurait commencé sur Terre il y a 3,5 milliards d’années. De la bactérie unicellulaire à l’Homme, composé de pas moins de 30 000 milliards de cellules, le Vivant n’a cessé d’innover !
*
1 : Stromatolithes : constructions fossiles, formées en général par des cyanobactéries (algues bleues), qui existent encore à l'heure actuelle.

Les différents types de cellules


La mitose, une division cellulaire

Chez l'Homme, les cellules souches (indifférenciées) et les cellules somatiques (différenciées et spécialisées) se multiplient par mitose pour donner deux cellules identiques, dites diploïdes, contenant 23 paires de chromosomes. Les cellules germinales (cellules sexuelles ou gamètes), quant à elles, doivent subir deux divisions successives (méiose) pour donner des cellules, dites haploïdes, avec un seul exemplaire de chacun des 23 chromosomes. Lors de la fécondation, les deux gamètes fusionnent pour générer un œuf diploïde. Le mélange de 50 % du patrimoine de la mère avec 50 % du patrimoine du père est appelé brassage génétique. La reproduction sexuée augmente la biodiversité et par conséquent le potentiel adaptatif de l'espèce.  

LE CYCLE CELLULAIRE
En 24 heures, depuis sa naissance jusqu’à sa division ou sa mort, une cellule suit un cycle de 4 phases.

*         La première, notée G1, correspond à sa croissance. Pendant ce temps, plus ou moins long, la cellule exerce ses fonctions ordinaires sans produire de nouvel ADN.
*         La seconde étape, S, est celle de la synthèse de l’ADN et de la réplication chromosomique.
*         Lors de la phase G2, la cellule s’assure que la réplication s’est bien passée.
*         Puis elle déclenche la dernière phase, celle de la division cellulaire.


L'ADN
Histoire de lu vivant et de l'ADN

L’enquête a commencé au siècle des Lumières par des observations macroscopiques sur la biodiversité. Les explorateurs rapportent de nouvelles espèces que Carl Von Linné, Georges Cuvier et Georges Buffon nomment et classent selon les caractères propres à chacune (nombre de membres, bipédie,
poils, plumes…). Puis Jean-Baptiste de Lamarck invente la biologie ; il est le premier à comprendre que les espèces évoluent. Au XIXe siècle, Charles Darwin émet l’idée qu’un caractère possède une certaine variabilité au sein d’une
population et que la sélection naturelle conserve les variations les plus favorables, dans un contexte donné ou un environnement spécifique.
En 1866, dans le potager de son abbaye, le moine Gregor Mendel découvre que certains caractères sont héréditaires : c’est la naissance de la génétique.

En 1952, la scientifique Rosalind Franklin parvient à “ photographier ” une molécule d’ADN et émet l’hypothèse de sa structure en double hélice. La reprise de ces travaux par Francis Crick et James Watson ouvre la voie à la biologie moléculaire.

L'ADN, vecteur de l'hérédité

Le noyau, de forme sphérique, est l'organite le plus volumineux de la cellule. Ses 5 micromètres de diamètre permettent de l’observer en microscopie optique. Une goutte de vert de méthyl suffit à révéler son principal constituant, l’Acide DésoxyriboNucléique (ADN). C'est la molécule support du patrimoine génétique de tout être vivant. La longue chaîne d’ADN est composée d'une succession de nucléotides (contenant des bases) accrochés les uns aux autres par des liaisons phosphodiester. Les 4 bases qui composent l’alphabet du programme génétique sont A, T, G et C.


La molécule d’ADN en version 3D est un assemblage de deux chaînes hélicoïdales (ou brins) s’enroulant autour d’un axe. Cette double hélice est maintenue grâce aux liaisons hydrogène entre les bases qui se font face. Ces bases, dites complémentaires (A s’apparie avec T et C avec G) forment comme les barreaux d’une échelle. Les deux brins d’un ADN donnent donc la même information, comme une photo et son négatif.

Dans les gènes, une suite de trois lettres forme un mot, ou codon. Les mots forment des phrases ou des instructions qui sont à l’origine des caractères héréditaires. La plupart du génome reste non lisible.


Deux êtres humains qui n'ont aucun lien de famille ont 99,9 % d'ADN en commun.

LES CHROMOSOMES, SUPPORTS MATÉRIELS DES GÈNES

Caryotype d'une cellule humaine, par hybridation en fluorescence. © Steven M.Carr
Au moment de la division cellulaire, l’ADN se compacte autour de protéines et s’organise en bâtonnets visibles, les chromosomes. Chaque espèce possède un nombre constant et spécifique de chromosomes : 46 pour l’Homme, 24 pour le riz, 8 pour la mouche… Chez la bactérie, il n’y en a qu’un et il est circulaire ! Si la cellule est stoppée pendant sa division, il est possible de réaliser un caryotype, sorte d’instantané de ses chromosomes. Ceux-ci sont découpés puis classés selon une numérotation internationale. Par exemple, un caryotype sert à identifier le sexe d’un individu (chromosome 23 XX - femelle ou XY - mâle) ou à détecter certaines anomalies, comme la trisomie 21 (3 copies du chromosome 21).

Un chromosome humain débobiné mesure un mètre d’ADN ! Sur ce mètre étalon, certaines fractions sont des instructions qui commandent la synthèse de protéines ; ce sont les gènes. Unités de base de l’hérédité, ils déterminent ce que nous sommes et comment nous fonctionnons (couleur des yeux, groupe sanguin…).

LE COMPLEXE DU GÉNOME
Organisme    Nombre de chromosomes    Taille du génome en millions de bases    Nombre de gènes
Homme    46    3300     21000
Riz    24    430    37000
Mouche    8    165    13000

Un organisme complexe, comme l'Homme, a-t-il un plus gros génome et plus de gènes qu'un organisme " moins évolué " ?

C'est globalement vrai quand on compare les procaryotes (bactéries) aux eucaryotes (plantes, animaux…). Cependant, chez les eucaryotes, le paradoxe existe. L'Homme a à peine deux fois plus de gènes que la mouche et moins qu'un grain de riz ! Il n'existe pas de relation entre la complexité d'un organisme et le nombre de gènes ou la taille de son génome.

LES GÈNES
Il existe environ 21 000 gènes chez l'Homme. La plupart des gènes codent pour des protéines qui jouent un rôle particulier dans notre organisme. Certaines participent au transport, à la signalisation cellulaire… D'autres, comme les enzymes, réalisent des réactions chimiques. Deux étapes sont nécessaires à leur fabrication : la transcription et la traduction.

1 - La transcription
Pour fabriquer une protéine, le gène va transmettre son mode d'emploi du noyau au cytoplasme grâce à une molécule navette, l'ARN messager (ARNm). Pour cela le gène est transcrit en un ARNm qui est sa copie exacte ; à un détail près : la base T est remplacée par une base spéciale, la base uracile (U). Les ARNm sont transformés pour enlever des parties non-codantes.

2- La traduction
Une fois dans le cytoplasme, l'ARNm va rejoindre les usines à protéines, les ribosomes. Dans celles-ci seront assemblés les constituants de base d'une protéine, les acides aminés selon la séquence donnée par l'ARNm. Mais comment passer d'un alphabet de 4 lettres (A, U, C, G) à une protéine ? Chaque acide aminé correspond à un ou plusieurs codons. Un troisième acteur, l'ARN de transfert (ARNt), reconnaît spécifiquement le codon de l'ARNm qui correspond à l'acide aminé qu'il porte. Ainsi, le ribosome glisse le long de la séquence de l'ARNm, et assemble les acides aminés apportés au fur et à mesure par les ARNt. Le ruban protéique se replie au cours de sa synthèse pour prendre in fine une conformation tridimensionnelle qui lui confère ses propriétés et sa fonction.


LES ALLÈLES
Chez l’Homme, les chromosomes vont par paire ! Pour chaque paire, ils sont identiques, portent les mêmes gènes. Cependant, il peut y avoir plusieurs versions, ou allèles, d’un même gène. Les combinaisons de deux allèles identiques ou différents donnent le génotype de l’individu. Par exemple, pour déterminer le groupe sanguin, il existe 3 versions du gène : l’allèle A, B et O ; ce qui donne AA, AB, AO, BB, BO ou OO. A et B sont dominants sur O ; A et B sont co-dominants et O est récessif. Le génotype AA donnera le phénotype [A]

Le génotype AB donnera le phénotype [AB]
Le génotype AO donnera le phénotype [A]
Le génotype BO donnera le phénotype [B]
Le génotype OO donnera le phénotype [O]
Le génotype BB donnera le phénotype [B]

Les phénotypes sont le résultat de l’expression des génotypes.


Chez les procaryotes, dont les cellules sont dépourvues de noyau, plus de 90 % du génome codent pour une protéine. Chez les eucaryotes, ce sont seulement 2 %. Les 98 % restants ont été longtemps appelés à tort “ ADN poubelle ” ; leur rôle n’est pas encore complètement élucidé, mais une partie servirait à réguler les gènes.

La déclinaison d'un gène ou comment conjuguer les allèles

Quand vous verrez un chat à 3 couleurs, pariez avec vos amis que c’est une femelle ! Vous gagnerez à tous les coups.

Explications : Les gènes sont à l’origine des caractères héréditaires comme la couleur du pelage des chats. Il existe plusieurs versions d’un gène que l’on appelle allèles.

Dans notre exemple, l’allèle redo confère la couleur orange et red° la couleur noire. Chaque gène, porté par les deux chromosomes d’une même paire, existe donc en deux exemplaires, une combinaison de 2 allèles qui détermine le génotype. Chez les chats, le gène de la couleur du poil est porté par le chromosome sexuel “ X ”. Un mâle (XY) ne possède qu’un seul chromosome X. Il ne peut donc exprimer qu'un seul a

llèle ; il est redo (orange) ou red° (noir). Une femelle (XX), quant à elle, présente une des 3 combinaisons d’allèles ou génotypes possibles : redo/redo, redo/red° ou red°/red° ; le phénotype couleur du pelage [noir et orange] n’apparaît donc que chez la femelle.

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