Sciences

Manipuler l'ADN devient un jeu d'enfant, faut-il en avoir peur ?

Un tout nouvel outil, CRISPR-Cas9, permet de modifier aisément le génome. Les conséquences de cette révolution sont absolument vertigineuses pour l’humanité.

De Michael Specter

Jetez un œil à son bureau, et vous devinerez sans peine comment Anthony James gagne sa vie. Des dessins de moustiques tapissent les murs. Et les ouvrages sur les moustiques garnissent les étagères. Près de sa table de travail, un panneau figure chaque étape de la croissance d’une espèce particulière, Aedes aegypti, de l’œuf au stade adulte. « Je suis obsédé par les moustiques depuis trente ans », confie James, généticien moléculaire à l’université de Californie à Irvine. Il existe environ 3 500 espèces de moustiques, mais James ne s’attache qu’à quelques unes, qui comptent parmi les créatures les plus redoutables de la planète. Anopheles gambiae, par exemple, transmet le parasite du paludisme, qui fait des centaines de milliers de morts par an.

Anthony James a toutefois consacré l’essentiel de sa carrière à Aedes. 
Ce genre de moustique serait arrivé en Amérique à bord de navires négriers venus d'Afrique aux VIIIe siècle, apportant avec lui la fièvre jaune, qui a tué des millions de gens. Aujourd’hui, les moustiques transmettent aussi les virus de la dengue (400 millions d’êtres humains infectés par an), du chikungunya, de la fièvre du Nil occidental, et Zika. Apparue au Brésil en 2015, l’épidémie de Zika ne cesse de s’étendre. Elle cause des désordres neurologiques, dont une affection rare, la microcéphalie : les bébés qui en souffrent naissent avec une tête anormalement petite, et leur cerveau accuse un retard de développement. Anthony James veut trouver comment modifier les gènes des moustiques pour qu’ils ne puissent plus propager de telles maladies.

Jusqu’à une date récente, cette idée relevait de la théorie. Mais, en alliant la technologie révolutionnaire de CRISPR-Cas9 – mise au point par la Française Emmanuelle Charpentier et l’Américaine Jennifer Doudna notamment – au procédé de « forçage génétique », elle devient vite réalité. Pour la toute première fois, des scientifiques peuvent modifier, supprimer ou réorganiser une séquence d’ADN chez quasiment n’importe quel organisme vivant – êtres humains compris – de façon rapide et précise. En trois ans, cette technologie a bouleversé la biologie. Des chercheurs du monde entier ont déjà utilisé CRISPR (ou « courtes répétitions en palindrome groupées et régulièrement espacées ») sur des animaux pour corriger des anomalies génétiques majeures – en premier lieu, les mutations responsables de la dystrophie musculaire, de la mucoviscidose et d’une forme d’hépatite. Plusieurs équipes ont recouru à CRISPR pour tenter d’éliminer le virus du sida de l’ADN de cellules humaines. Les résultats ont été mitigés, mais de nombreux scientifiques restent persuadés que cette technologie pourrait contribuer à la mise au point d’un traitement. Dans d’autres expériences, les chercheurs se servent de CRISPR pour débarrasser les porcs des virus empêchant la greffe de leurs organes sur des humains. De leur côté, des écologues s’emploient à ce que cette technologie aide un jour à protéger les espèces menacées. Des phytobiologistes travaillent à supprimer les gènes qui favorisent les parasites sur toute une série de plantes. En privilégiant la biologie, CRISPR pourrait donc contribuer à réduire notre dépendance aux pesticides toxiques. 

Nulle découverte depuis un siècle ne suscite autant de perspectives ni ne soulève autant de questions éthiques. Il suffit d’imaginer CRISPR en train de réécrire la lignée germinale d’un embryon humain (les cellules contenant le matériel génétique dont peut hériter la génération suivante) afin de corriger une anomalie génétique ou bien d’améliorer tel ou tel trait. La modification serait transmise à tous les descendants de cette personne, à perpétuité. Prévoir toutes les implications de changements aussi profonds est quasiment impossible. « C’est une technologie remarquable, avec de nombreuses utilisations potentielles de premier plan. Mais si vous voulez faire une chose aussi cruciale que de réécrire la lignée germinale, vous devez pouvoir me dire que vous avez une solide raison de le faire, note Eric Lander, directeur du Broad Institute (université Harvard/ Massachusetts Institute of Technology [MIT]). Et vous devez pouvoir me dire que la société a fait le choix d’entreprendre ce genre de choses, et que, à défaut d’un large consensus, cela ne se produira pas. » Puis il ajoute : « Les scientifiques ne sont pas en position de trancher ces questions. Et je ne sais pas qui pourrait l’être. »

L’ADN est une molécule qui contient le code génétique sur sa structure à double brin. L’ARN, en général monobrin, en est une sorte de copie qui permet de synthétiser cette information en protéines. Or CRISPR-Cas9 est composé de deux éléments. Primo : une enzyme – Cas9 – qui fonctionne comme un scalpel pour découper l’ADN (dans la nature, les bactéries l’utilisent pour sectionner et désamorcer le code génétique de virus envahisseurs). Deusio : un brin d’ARN, qui va guider le scalpel vers les nucléotides (les lettres chimiques de l’ADN) devant être sectionnés. La précision de ce second élément est sidérante. Les scientifiques peuvent expédier une « pièce de rechange » n’importe où dans un génome composé de milliards de nucléotides. Quand il atteint sa destination, l’enzyme Cas9 découpe et extrait la séquence d’ADN indésirable. Puis, pour colmater la brèche, la chaîne de nucléotides véhiculée par le système CRISPR est insérée.

Quand l’épidémie de Zika à Porto Rico sera terminée, au moins un quart des 3,5 millions d’habitants pourraient avoir contracté le virus. Soit des milliers de femmes enceintes potentiellement infectées. Mais, à l’heure actuelle, il n’existerait qu’une seule réponse véritablement efficace à Zika : noyer l’île sous les insecticides. Anthony James et d’autres scientifiques estiment qu’une meilleure approche consisterait à modifier des moustiques à l’aide de CRISPR, et d’utiliser le « forçage génétique » pour rendre ces changements permanents. Le forçage génétique a le pouvoir d’outrepasser les règles traditionnelles de la transmission des gènes. D’ordinaire, lors de la reproduction sexuée, un caractère porté sur un chromosome d’un des deux parents n’a qu’une chance sur deux d’être transmis à la génération suivante. Cependant, certains gènes sont « égoïstes » : l’évolution leur a accordé plus de 50 % de chances d’être hérités. En théorie, on pourrait donc combiner CRISPR avec le forçage génétique pour altérer le code d’une espèce : on attacherait la séquence d’ADN désirée à l’un des gènes « égoïstes », avant de relâcher les animaux modifiés pour qu’ils se reproduisent dans la nature. Ce procédé pourrait imposer quasiment n’importe quel caractère génétique à une population entière. Anthony James a ainsi utilisé CRISPR pour obtenir une variété de moustiques Anopheles incapables de propager le parasite du paludisme. Ces travaux ont été publiés en 2015 dans Proceedings of the National Academy of Sciences. « J’ai trimé dans l’ombre pendant des décennies, mais ce n’est plus le cas. Le téléphone ne cesse de sonner depuis des semaines », raconte le chercheur, désignant d’un hochement une liasse de messages sur son bureau. Le moustique Ae. aegypti, qui véhicule de nombreux agents pathogènes, devrait requérir une approche légèrement différente. « Ce qu’il faudrait faire, précise Anthony James, c’est concevoir un forçage génétique rendant les insectes stériles. Créer un moustique résistant à Zika n’a pas de sens s’il peut encore transmettre la dengue et d’autres maladies. »

Pour combattre la dengue, Anthony James et son équipe ont conçu des systèmes CRISPR qui pourraient tout simplement supprimer un gène naturel et le remplacer par une version rendant les descendants de l’insecte stériles. Si des moustiques ainsi modifiés étaient relâchés en quantité suffisante pour se reproduire, il ne faudrait que quelques générations (chacune durant à peine deux ou trois semaines) pour que toute l’espèce porte la version modifiée. Le chercheur en est parfaitement conscient : libérer dans la nature une mutation créée pour se répandre rapidement dans une population sauvage pourrait avoir des conséquences inopinées – et difficiles à inverser. « Il existe sans doute des risques à libérer des insectes modifiés en laboratoire, concède-t-il. Mais ne pas le faire serait, à mon avis, bien plus dangereux. »

Voilà plus de quarante ans que la technique pour « couper » des nucléotides de gènes d’un organisme et les « coller » sur ceux d’un autre organisme a été mise au point. C’est ce qu’on appelle la « recombinaison de l’ADN ». Le procédé a suscité l’enthousiasme des biologistes moléculaires tant son potentiel était énorme. Les scientifiques ont cependant compris dès le départ que, s’ils pouvaient transférer de l’ADN d’une espèce à une autre, ils pourraient faire la même chose par inadvertance avec des virus et d’autres agents pathogènes. Avec le risque de provoquer des maladies imprévues, pour lesquelles il n’existerait ni protection naturelle, ni traitement, ni guérison. Dès 1975, des biologistes moléculaires du monde entier se sont réunis en Californie pour discuter du problème. Ils sont convenus d’une série de garde fous, dont une échelle des normes de sécurité en laboratoire d’une sévérité croissante en fonction des risques potentiels liés aux expérimentations. Le constat s’est bientôt imposé : les protections semblaient fonctionner, et les bénéfices possibles étaient considérables. Le génie génétique s’est mis à améliorer des millions de vies. Les diabétiques, par exemple, ont pu bénéficier d’un approvisionnement régulier en insuline produite par génie génétique. En outre, des cultures OGM, aux rendements plus élevés et résistantes aux herbicides et aux insectes, ont commencé à transformer une bonne partie du paysage agricole mondial.
Cependant, si les médicaments reposant sur des techniques de manipulation génétique sont largement acceptés, les cultures produites selon les mêmes méthodes ne le sont pas. Et, comme le démontre la controverse sur l’étiquetage des aliments OGM, peu importe qu’un produit présente un danger ou non à partir du moment où les consommateurs refusent de le manger.

CRISPR permettra-t-il de sortir de cette impasse ? Le mot « transgénique » et l’acronyme « OGM » renvoient à la pratique consistant à combiner l’ADN d’espèces distinctes ne pouvant pas se reproduire ensemble dans la nature. Les scientifiques espèrent que l’utilisation de CRISPR pour altérer l’ADN calmera les oppositions. Car, avec cet outil, on peut reconfigurer des gènes spécifiques sans avoir à introduire de l’ADN d’une autre espèce. Le riz doré, par exemple, est un OGM corrigé pour contenir les gènes nécessaires à la production de vitamine A dans la partie comestible du grain, ce qui ne se fait pas naturellement dans les plants de riz. Chaque année, jusqu’à 500 000 enfants dans le monde deviennent aveugles par manque de vitamine A. Mais les activistes anti OGM se sont opposés aux recherches et à la production commerciale de ce riz.

Avec CRISPR, les scientifiques pourraient certainement obtenir le même résultat en se contentant de modifier des gènes déjà actifs dans les plants de riz. Au Japon, des chercheurs ont utilisé CRISPR pour prolonger la durée de vie de tomates en désactivant des gènes de la maturation. Et, en supprimant les trois copies d’un même gène du blé, Caixia Gao et son équipe de l’Académie des sciences de Beijing ont créé une variété résistante à l’oïdium. Les agriculteurs qui, depuis des millénaires, croisent des espèces, en manipulent les gènes. CRISPR fait la même chose de façon plus ciblée. Les autorités réglementaires de certains pays (Allemagne, Suède et Argentine, notamment) distinguent les OGM de l’édition génomique avec des outils tels que CRISPR. L’Agence des produits alimentaires et médicamenteux des États-Unis pourrait faire de même. Les produits créés avec CRISPR seraient alors plus accessibles et homologables plus vite que tout autre aliment ou médicament génétiquement modifié. Le potentiel de CRISPR pour la médecine est incontestable. Cette technologie a déjà transformé la recherche sur le cancer. Elle a facilité la manipulation de cellules tumorales en laboratoire, puis le test de divers médicaments destinés à les empêcher de proliférer. Il n’est pas exclu que des médecins puissent bientôt utiliser CRISPR pour traiter directement certaines maladies. Un exemple : des cellules souches prélevées sur des personnes hémophiles pourraient être modifiées à l’extérieur du corps pour corriger les anomalies génétiques causant la maladie, puis, une fois rendues normales, réintroduites pour repeupler le système sanguin du patient. Et nous pourrions assister à des avancées médicales encore plus spectaculaires dans les deux prochaines années. En France, plus de 21 000 personnes sont sur liste d’attente pour une greffe d’organe. Or des milliers mourront avant de devenir prioritaire. Depuis des années, les chercheurs voudraient utiliser des organes d’animaux pour remédier à la pénurie de donneurs. Le cochon a longtemps été considéré comme un fournisseur de choix, notamment parce que ses organes ont des tailles semblables à ceux des organes humains.

Mais le génome d’un porc est plein de virus dits PERV – ou « rétrovirus endogènes porcins ». Pareils au virus du sida, ceux-ci sont capables d’infecter des cellules humaines. Et, jusqu’à récemment, on ne savait pas en débarrasser le porc. Désormais, des chercheurs recourent à CRISPR pour modifier le génome d’organes du porc. Une équipe conduite par George Church, professeur à Harvard et au MIT, a utilisé cet outil pour ôter soixante-deux occurrences de gènes de PERV dans des cellules de rein de porc (c’est le record du nombre de modifications cellulaires simultanées sur un génome). Puis ces cellules modifiées ont été mélangées avec des cellules humaines en laboratoire. Résultat : aucune cellule humaine n’a été infectée. Dans un ensemble de cellules porcines, la même équipe a modifié vingt gènes connus pour provoquer des réactions du système immunitaire humain.

George Church en est désormais à cultiver ces cellules dans des embryons de porc, après les avoir clonées. Il envisage de démarrer les essais sur les primates dans un an ou deux. Si les organes fonctionnent correctement et ne sont pas rejetés par les systèmes immunitaires des animaux, l’étape suivante sera les tests sur les humains. Church a toujours voulu trouver un moyen de fournir des greffes aux patients qui ne sont pas jugés en assez bonne santé pour en recevoir. « Beaucoup de patients essuient un refus, explique-t-il, car ils souffrent de maladies infectieuses ou sont toxicomanes – entre autres raisons. L’idée étant que ces gens ne profiteraient pas d’une transplantation. Bien sûr que si, ils en profiteraient ! Et, si nous disposions d’organes en grande quantité, on pourrait en proposer à tout le monde. »

Le putois à pieds noirs, jadis abondant dans les Grandes Plaines, est l’un des mammifères les plus menacés d’Amérique du Nord. On l’a même cru disparu. Cela a failli arriver : chaque putois en vie aujourd’hui descend de l’un des sept individus découverts en 1981 sur un ranch du Wyoming. Mais, endogames depuis plusieurs générations, les putois à pieds noirs manquent de diversité génétique, ce qui compromet la survie de n’importe quelle espèce. « Les putois à pieds noirs offrent un exemple classique d’une espèce entière sauvée grâce au génie génétique », affirme Ryan Phelan, de l’association Revive & Restore, qui coordonne les efforts pour appliquer l’édition génomique à la protection de la faune. En collaboration avec le Frozen Zoo (« zoo congelé ») de San Diego, elle et ses collègues tentent d’accroître la diversité de ces putois en introduisant dans leurs génomes de l’ADN différent, provenant de deux spécimens conservés depuis trente ans. Les travaux de Ryan Phelan répondent à deux menaces immédiates et étroitement liées. D’abord, le manque de nourriture : les chiens de prairie, les principales proies des putois, ont été décimés par la rage sylvatique, causée par la même bactérie qui provoque la peste bubonique chez l’homme. Ensuite, la rage tue aussi les putois infectés qui ont mangé des chiens de prairie morts de cette maladie. Un vaccin contre la peste, mis au point dans les années 1990, semble immuniser les putois à vie contre la rage. Kevin Esvelt, du MIT, qui a travaillé avec Church sur la technologie CRISPR et le forçage génétique, avance une autre solution : « La seule chose à faire, c’est de rendre l’animal résistant. » Comment ? En encodant les anticorps générés par la vaccination, puis en les greffant sur l’ADN des putois. Une telle approche, estime Esvelt, pourrait aider les putois à résister à la rage, mais aussi contribuer à éradiquer la maladie de Lyme, due à une bactérie transmise par les tiques, qui infestent en général les souris à pattes blanches. Si, grâce à CRISPR, on pouvait intégrer la résistance à la maladie de Lyme dans l’ADN de la souris, puis la diffuser au sein de la population sauvage, on pourrait contenir l’affection, voire l’éliminer, avec peu d’impact écologique visible. Esvelt et Church sont cependant convaincus qu’il ne faut tenter aucune expérience de ce type sans la consultation du public et sans avoir mis au point un système de désactivation – une sorte d’antidote. Si les manipulations avaient des conséquences écologiques inattendues, celui-ci devrait pouvoir être appliqué à la population animale visée pour annuler leurs effets.

À Hawaii, les oiseaux sont en voie de disparition rapide, à cause notamment d’un genre de paludisme. Avant que les chasseurs de baleine n’introduisent le moustique à Hawaii, au début du xixe siècle, les oiseaux locaux n’avaient jamais été exposés aux maladies véhiculées par cet insecte. Ils ne pouvaient donc pas se défendre. Sur plus de 100 espèces d’oiseaux endémiques de Hawaii, il n’en reste que 42, dont les trois quarts sont classées « en danger d’extinction ». Le paludisme aviaire n’est pas la seule menace qui pèse sur les oiseaux indigènes restants. Mais ils disparaîtront sans doute si on échoue à stopper la maladie. Et l’édition génomique semble être le meilleur moyen de le faire. L’artémisinine est le seul remède réellement efficace contre le paludisme chez les humains. La société de biotechnologie Amyris en a mis au point la première version synthétique. Jack Newman, son ex-directeur scientifique, dirige aujourd’hui une grande partie de ses efforts sur l’élimination des maladies aviaires transmises par les moustiques. Actuellement, la seule façon de protéger des oiseaux du paludisme est de tuer les moustiques en répandant de puissants produits chimiques sur une vaste région. « Pour tuer un moustique, relève Newman, l’insecticide doit être en contact direct avec celui-ci. » Or l’insecte vit et se reproduit souvent dans un creux d’arbre ou une faille inaccessible d’une paroi rocheuse. Bref, pour atteindre tous les moustiques de Hawaii, il faudrait empoisonner une bonne partie de la faune et de la flore de ses forêts tropicales humides. En revanche, en stérilisant les moustiques, l’édition génomique pourrait aider à sauver les oiseaux sans détruire leur environnement. « Utiliser la génétique pour sauver ces espèces n’est qu’une façon ultra ciblée de s’attaquer à toute une série de maladies environnementales, dit Newman. Le paludisme aviaire détruit la faune de Hawaii, et un moyen de l’arrêter existe. Allons-nous rester les bras croisés ? »

James Clapper, le directeur du Renseignement national des États-Unis, a averti dans son rapport annuel au Sénat, en février dernier, qu’il fallait considérer des technologies telles que CRISPR comme de potentielles armes de destruction massive. Nombre de scientifiques jugent ses remarques infondées ou, du moins, exagérément alarmistes. Il faudrait toutefois être aveugle pour prétendre que ces outils moléculaires ne comportent aucun risque (et peut être avant tout de façon accidentelle). Les scientifiques responsables d’avancées telles que CRISPR le reconnaissent : si nous commençons à manipuler le patrimoine génétique d’autres espèces – sans parler de la nôtre –, il pourrait être difficile, voire impossible, de faire marche arrière. « Quelles sont les conséquences indésirables de l’édition génomique ? », s’interroge Jennifer Doudna. Je la rencontre à l’université de Californie à Berkeley, où elle enseigne la chimie et la biologie moléculaire. En 2012, Doudna et sa collègue française Emmanuelle Charpentier (désormais directrice à l’Institut Max-Planck de biologie infectieuse, à Berlin) ont été les premières à démontrer que l’on pouvait utiliser CRISPR pour modifier de l’ADN purifié dans des boîtes de laboratoire. « Je ne pense pas que nous en sachions assez sur le génome humain, ou sur tout autre génome, pour répondre pleinement à la question, admet-elle. Mais les gens utiliseront cette technologie, que nous en sachions assez ou non. » Plus la science pousse l’humanité vers l’avant, plus cela semble effrayant. Bientôt, c’est presque certain, il sera possible de mener des expériences avec un « kit CRISPR » de la même façon que les bricoleurs des générations précédentes s’amusaient dans leur garage à monter des radios ou des ordinateurs rudimentaires. Il est normal de craindre que des néophytes utilisent des outils à même d’altérer la génétique fondamentale des plantes et des animaux. Mais les bénéfices de ces outils sont tout aussi réels... de même que les risques de les ignorer. Les moustiques sèment la mort dans le monde entier. L’éradication du paludisme ou de toute autre maladie qu’ils transmettent serait parmi les plus grands succès de la médecine. À l’évidence, il est trop tôt pour envisager d’utiliser CRISPR sur des embryons humains viables. Il existe cependant d’autres façons de « réécrire » la lignée germinale humaine pour guérir certaines maladies sans changer le lignage génétique de notre espèce.

Les enfants nés avec la maladie de Tay-Sachs, par exemple, manquent de l’enzyme cruciale nécessaire au métabolisme de lipides présents dans le cerveau, appelés gangliosides. La maladie est très rare et ne survient que lorsque les deux parents transmettent leur version défectueuse du gène à un enfant. Avec CRISPR, il serait facile de traiter la contribution de l’un des parents – mettons, le sperme du père – pour faire en sorte que l’enfant ne reçoive pas deux copies du gène concerné. Une telle intervention sauverait à coup sûr des vies et réduirait le risque que la maladie ne réapparaisse plus tard. Mais ce résultat peut déjà s’obtenir par fécondation in vitro : implanter un embryon exempt du gène défectueux assure que l’enfant ne transmettra pas l’affection aux générations suivantes.

Lorsque nous faisons face à des risques difficiles à évaluer, nous avons souvent tendance à choisir l’inaction. Mais, avec des millions de vie en jeu, l’inaction présente elle aussi des dangers. En décembre dernier, des scientifiques du monde entier se sont retrouvés à Washington pour discuter de l’éthique de ces choix. D’autres débats sont prévus. Et il n’y aura jamais de réponses simples. Mais, sans cadre réglementaire – qui n’existe pas encore pour ce qui est de modifier de l’ADN humain –, le potentiel formidable de cette révolution pourrait être étouffé par la peur. « Avec les forçages génétiques et CRISPR, nous détenons désormais sur des espèces de toutes sortes un pouvoir que nous n’aurions jamais cru possible, observe Hank Greely, le directeur du Centre sur la législation et les biosciences de l’université Stanford. Le bien que nous pouvons potentiellement en tirer est immense. Mais nous devons reconnaître que nous avons affaire à un nouveau type de pouvoir, et trouver un moyen d’être certains de l’utiliser à bon escient. Pour l’heure, nous ne sommes pas équipés pour le faire, mais nous n’avons pas de temps à perdre. »

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