Les lecteurs de gènes accélérés par CRISPR pompent les freins

Les lecteurs de gènes accélérés par CRISPR pompent les freins

Lorsqu'une piqûre de moustique menace de transmettre l'infection, de provoquer une maladie ou même de contribuer à une mort prématurée, comme c'est souvent le cas dans les régions du monde où le paludisme est endémique, les efforts de prévention constituent une mesure de santé publique essentielle. Au cours de la dernière décennie, les efforts de prévention ont incorporé des innovations telles que de meilleurs insecticides et des moustiquaires de lit plus durables, permettant de prévenir des centaines de millions de cas de paludisme et de sauver des millions de vies. Bien que les taux de mortalité aient diminué, plus de 200 millions de nouveaux cas de paludisme et près d'un demi-million de décès dus au paludisme (principalement chez les enfants de moins de 5 ans) se produisent encore chaque année. Ces statistiques témoignent des limites des méthodes actuelles de prévention des moustiques, de même que des maladies et des décès causés par d'autres maladies infectieuses transmises par les moustiques, notamment le zika, la dengue, la fièvre jaune et le chikungunya.
Le paludisme et d'autres maladies infectieuses transmises par les moustiques pourraient être éradiqués grâce aux technologies de la pulsion génique, qui sont utilisées pour modifier ou éliminer des espèces sélectionnées, y compris des vecteurs de maladies. Récemment, CRISPR a accéléré le développement des gènes, ce qui crée de l'excitation et de l'anxiété dans tous les domaines concernés. Dans le domaine du lecteur de gènes, qui ne fait pas exception, la puissance de CRISPR est exploitée avec un degré de précision sans précédent.
De zéro à l'extinction
Un lecteur de gène est conçu pour modifier les chances d'hériter d'une séquence d'ADN particulière. Ce faisant, cela pourrait modifier la présence d'un trait dans une population sauvage. Lorsqu'un moustique génétiquement modifié s'accouple avec un moustique de type sauvage, 50% de la progéniture porte normalement le gène modifié. Un lecteur de gènes fausse ce modèle d’héritage en garantissant que le gène modifié sera hérité à une fréquence beaucoup plus élevée, ce qui se répandra rapidement au sein d’une population sauvage, même si un désavantage évolutif est attribué (voir illustration à la page 22).
Contrairement aux précédentes, les gènes basés sur CRISPR montrent une transmission presque complète. Une commande de gène basée sur CRISPR porte un gène altéré, l'enzyme Cas9 et plusieurs ARN guides. Non seulement le gène modifié est transmis, mais les mécanismes de contrôle des gènes basés sur CRISPR sont également hérités.
Comme beaucoup de domaines qui ont été touchés par la puissance de CRISPR, la technologie du lecteur génétique évolue si rapidement qu'elle menace de dépasser le développement de contrôles nécessaires (ou du moins prudents). Par exemple, il est à craindre que le lecteur de gènes basé sur CRISPR puisse avoir des impacts écologiques négatifs. La possibilité d'éliminer ou de modifier une espèce entière, même l'animal le plus mortel de la planète, a conduit certains biologistes du génie génétique à se tourner vers le développement de freins pour cette technologie.
Certaines mesures de contrôle pourraient être intégrées dès le début à une commande de gènes basée sur CRISPR, alors que d'autres pourraient être mises en place si nécessaire. «Il n'y a aucune raison de ne pas avoir de contre-mesures», insiste Amit Choudhary, PhD, professeur adjoint de médecine à la faculté de médecine de Harvard, juste au cas où.
Les nombreuses marques et modèles de disques géniques
L’importance d’avoir une contre-mesure en place lors de la libération d’un gène dans l’environnement «dépend du type de système de contrôle du gène dont vous parlez», déclare Omar Akbari, PhD, professeur adjoint de biologie du développement et des cellules à la University of Californie, San Diego. Selon Akbari, l’une des idées fausses les plus répandues est que, lorsque les gens entendent le mot «moteur génétique», ils pensent à un système qui pourrait se propager d’un individu à l’ensemble de la population du monde entier. Il entend fréquemment des mots tels que «autonome», «invasif» et «mondial», utilisés pour décrire les génomes. Mais selon Akbari, ces mots pourraient ne pas s’appliquer aux lecteurs de gènes, qui se présentent sous de nombreuses variétés différentes.
Omar Akbari, PhD, professeur adjoint de biologie cellulaire et du développement à l'Université de Californie à San Diego, dirige un laboratoire qui étudie la génétique et la physiologie fondamentales des moustiques dans le but de développer des technologies de contrôle génétique inspirées de la biologie synthétique visant à réduire le fardeau des maladies transmises par les moustiques sur les humains. (UCSD Publications / Erik Jepsen) Il existe de nombreux travaux visant à développer des systèmes génétiques possédant des caractéristiques restrictives, telles que le confinement, qui peuvent limiter l'activité à une zone locale. Les mesures de contrôle peuvent, dans certains cas, devenir partie intégrante de la construction du système de commande génétique. Par exemple, dans un système à lecteur divisé, des composants de lecteur de gène (Cas9, ARN guide et gène d’intérêt) peuvent être installés à différents endroits du génome de l’organisme vecteur. Tous les composants sont nécessaires à l’activité génique, mais certains d’entre eux seront hérités à un taux normal, ce qui signifie qu’ils tomberont bientôt hors de la population, privant les autres composants de leurs partenaires essentiels.
Certains gènes sont appelés «chaînes de marguerites» car ils possèdent, comme une véritable chaîne de marguerites, de nombreux liens. Comme le décrit Kevin Esvelt, PhD, professeur adjoint du MIT Media Lab, le système de marguerite ressemble à une fusée à plusieurs étages. Chaque élément de la chaîne est un rappel génétique qui propulse la charge utile. Lorsque les éléments sont perdus, la charge utile ralentit. En conséquence, le lecteur de gènes est à la fois temporaire et confiné à la région locale.
Les chercheurs explorent différents moyens d'intégrer des mesures de contrôle dans les lecteurs de gènes. Valentino Gantz, PhD, chercheur assistant en biologie cellulaire et du développement à l'Université de Californie à San Diego, a déclaré à GEN que le problème n'était pas vraiment de savoir lequel était le meilleur. Différents systèmes ont plutôt des caractéristiques différentes, et un système peut être préférable à un autre en fonction de vos activités.
Valentino Gantz, PhD, dirige un laboratoire de l’Université de Californie à San Diego qui utilise la mouche du fruit (Drosophila melanogaster) pour explorer les technologies de la «génétique active». 9UCSD Publications / Erik Jepsen) Le laboratoire de Gantz aime comprendre les détails les plus fins des lecteurs de gènes et les implications de modifications subtiles. Il développe de nouvelles façons de scinder les entraînements géniques, principalement chez la mouche Drosophila melanogaster, en expérimentant avec les ARN guides et le Cas9 pour, selon Gantz, «optimiser les éléments de façon combinatoire». Un système divisé possède une source statique de Cas9 et un «CopyCat». Un autre a un arrangement transcomplémentant de lecteur de gène qui distribue les ARN Cas9 et guide à différents endroits. Une fois séparés, ces éléments sont hérités en tant que transgènes mendéliens; mais une fois combinés, ils peuvent être copiés et propagés de manière exponentielle dans une population. Gantz a déclaré à GEN que des résultats récents suggéraient que la transmission génique transcomplémentante pouvait présenter des avantages par rapport à une transmission génique complète dans l'environnement, résultats auxquels il ne s'attendait pas.
Une autre méthode consiste à subordonner le lecteur de gènes à certaines propriétés, telles que la nécessité d'atteindre un seuil pour se propager. Par exemple, avec un seuil de 50%, un nombre de moustiques supérieur à 50% de la taille de la population devrait être libéré, ce qui est beaucoup. Si la population de moustiques porteurs de gènes passe au-dessous du seuil, le gène disparaît.
«Je ne vois aucun avantage à utiliser un système de commande global par rapport à un système à limitation automatique ou à seuil sur une population insulaire», affirme Akbari. "Cela pourrait être un peu plus de travail, avec plus de versions requises." Mais Akbari note que pour un essai sur le terrain, la même écologie et la dynamique de population pourraient être comprises à partir de l'une quelconque de ces gènes. Et si tout se passe bien, alors l’introduction de lecteurs de gènes en Afrique continentale pourrait être envisagée.
Akbari note que pour ces systèmes d’entraînement, vous n’auriez pas besoin d’une contre-mesure supplémentaire car les contre-mesures sont intégrées. «Il reste beaucoup de travail à faire et il reste encore beaucoup d’innovations à faire», précise-t-il. Ce ne sont pas simplement des systèmes de «libération et de départ». Et bien que ces commandes de gènes contrôlées puissent nécessiter plus de travail, elles constituent l'option la plus sûre.
Les lecteurs génétiques sont une technologie qui assure qu'une variante génétique souhaitée se propage dans une population plus rapidement que ne le pourrait un héritage mendélien normal, ce qui confère à chaque allèle 50% de chance d'être transmis à la progéniture. Certains lecteurs de gènes utilisent les systèmes CRISPR pour remplacer les allèles de type sauvage par des allèles de lecteurs contenant des gènes Cas9 et des gènes de guidage de l'ARN et, éventuellement, d'autres cargaisons génétiques. (Mariuswalter CC BY-SA 4.0) Zanzaré
Le paludisme a été éliminé en Sardaigne après la Seconde Guerre mondiale, grâce à un projet expérimental qui imposait l'équivalent écologique d'une politique de la terre brûlée. Le projet, lancé en 1944 et financé par le gouvernement italien et la Fondation Rockefeller, ne combattait pas directement le paludisme. Au lieu de cela, il a cherché à éradiquer tous les moustiques indigènes (zanzare) – quelque chose qui suscite un petit rire de la part d'Andrea Crisanti, MD, PhD, professeur de parasitologie moléculaire à l'Imperial College de Londres. Il est ironique de constater qu’à l’époque, un projet coûteux et laborieux risquait de paraître risqué aujourd’hui. En recouvrant l’île d’insecticide DDT, trois des quatre espèces de moustiques de l’île ont été éliminées. Si l’histoire du projet fournit des indications, souligne Crisanti, il se peut que l’éradication des vecteurs ne soit pas nécessairement désastreuse. En Sardaigne, la disparition des moustiques n'a entraîné aucun inconvénient écologique. (Il ajoute que personne ne les manque.)
Il y a plus de 15 ans, Crisanti dirigeait une équipe qui modifiait pour la première fois le génome du moustique Anopheles. Deux ans plus tard, la séquence complète du génome du moustique a été rendue publique. Crisanti a une position sur l'élimination des moustiques qui apparaît aussi clairement que son accent italien. «Nous ne devrions pas déployer de solution génique sur le terrain si nous pensons que nous aurions peut-être besoin d'une technologie neutralisante», a-t-il déclaré à GEN. Il a ajouté que, même si la technologie neutralisante «peut rassurer certains», il «croit fermement» que «si nous proposons une solution technologique entraînant les gènes pour éliminer les moustiques, c’est parce que nous pensons qu’elle ne fera de mal à personne.» Par conséquent, nous ne devrions pas décider si une technologie de neutralisation capable est disponible. Pourquoi? Cela pourrait, suggère-t-il, abaisser le seuil pour prendre la décision. Les gens peuvent être disposés à prendre un risque plus élevé parce que cette technologie existe, comme une couverture de sécurité.
Dans le laboratoire de l'Imperial College de Londres dirigé par Andrea Crisanti, MD, PhD, les chercheurs ont démontré qu'un gène CRISPR – Cas9 ciblant le double-mutus peut entraîner une suppression complète de la population chez les moustiques Anopheles gambiae en cage. Les chercheurs ont indiqué que cette découverte pourrait avoir des implications au-delà de la lutte anti-vectorielle, étant donné que le double sex influence la détermination du sexe non seulement chez les moustiques, mais également chez toutes les autres espèces d'insectes analysées jusqu'à présent. (Laboratoire Crisanti) L'automne dernier, le laboratoire Crisanti a publié un lecteur de gènes basé sur CRISPR-Cas9 qui ciblait le gène «doublesex», le gène responsable de déterminer si un moustique se développait en homme ou en femme. Esvelt a confié à GEN que la propulsion génique avait provoqué un tel effondrement de la population de moustiques que "les défis sociaux et diplomatiques de la conclusion d'un accord international sont maintenant sans doute plus redoutables que les derniers obstacles techniques".
Crisanti affirme que nous ne devrions pas introduire de lecteurs de gènes sur le terrain si nous avons des doutes sur la sécurité et l'efficacité. «L’autorisation devrait être donnée parce que nous avons donné l’assurance que le système génique fonctionnera et ne posera aucune menace pour l’environnement, l’écologie et la santé des animaux et des humains», a-t-il déclaré. «Nous ne procéderons à sa mise en œuvre que si nous sommes absolument convaincus que la technologie du lecteur de gènes fonctionnera et sera sûre. En l'absence d'une technologie de neutralisation, nous procéderons à sa mise en œuvre.»
Cela dit, le laboratoire Crisanti travaille actuellement au développement de nouveaux types de technologies de neutralisation. Lorsqu'on lui demande pourquoi, il note qu'ils y travaillent car «il est difficile de prédire ce que les autres peuvent faire».
Contrôle chimique: la dose produit le poison
Choudhary a grandi entouré de moustiques dans un environnement semblable à un taudis en Inde. Là, dit-il, "vous n'avez pas besoin de vous battre contre les moustiques, ils viennent chez vous". Mais il n'a pas contracté de maladies à transmission vectorielle, ce qu'il attribue, en partie, à un "Bon chevalier . »Le Good Knight, utilisé couramment dans les foyers indiens le soir, est un dispositif rudimentaire à base de petites molécules qui vaporise les pyréthrines, des composés organiques similaires à ceux produits par le chrysanthème et qui ont des propriétés anti-insectes. Choudhary veut exploiter cette plate-forme qui contrôle les moustiques en distribuant de petites molécules dans l'air en construisant une dépendance à base de petites molécules dans le contrôle de la conduite des gènes.
Son laboratoire a conçu Cas9 pour créer ces dépendances de manière à ce qu'un lecteur de gènes bloqué puisse être activé lorsque les moustiques mangent ou inhalent la petite molécule. Le degré auquel ils prennent la molécule déterminera le degré d'activation du gène drive et, à son tour, le degré de transmission. Choudhary espère affiner la population à l'aide du système analogique, en composant le montant de l'héritage pour obtenir des valeurs intermédiaires. Il collabore actuellement avec plusieurs laboratoires du domaine de la propulsion génique, y compris les laboratoires Gantz et Akbari, pour incorporer le contrôle de petites molécules dans des systèmes de génomique.
«Vous n’avez pas besoin d’un hélicoptère pour éteindre les moustiques», note Choudhary. «Il faut juste quelque chose qui existe déjà dans presque tous les foyers indiens pour permettre le contrôle, l’activation ou l’inhibition, de petites molécules, des gènes.» Choudhary a noté qu’il s’agissait d’une stratégie de localisation, mais pas seulement pour l’Inde. «Partout où quelque chose est chauffé, par exemple, lorsque le dîner est préparé, ces molécules pourraient être vaporisées», fait-il remarquer. Il espère développer cette plate-forme pour tout environnement où les ressources sont rares.
Pour ce qui est de la nécessité de neutraliser les technologies, Choudhary maintient que le contrôle est au cœur de toute technologie puissante. Il ajoute que les contrôles devraient être intégrés en tandem, car le chaos s'ensuit lorsque les contrôles sont intégrés après coup. Il dit qu’une commande de gène sans contrôle «ne se sent pas bien» et que le contrôle offert par les produits chimiques est rapide, peu coûteux et compatible avec la production de masse. Néanmoins, adoptant le point de vue d'un chimiste et se présentant comme une «exception» parmi les généticiens, Choudhary insiste sur les défis du monde des gènes génétiques par opposition à ceux du monde de la chimie, notant que l'espace des gènes est «beaucoup plus difficile».
Après que les biologistes du développement, Ethan Bier, Ph.D., et Valentino Gantz, PhD, de l’Université de Californie à San Diego, aient mis au point un système génique pour les mouches des fruits, ils ont collaboré avec Anthony James, Ph.D., biologiste moléculaire de l’Université de Californie à Irvine, le lecteur de gène aux moustiques. Certains de ces travaux ont impliqué le dépistage phénotypique chez les larves de moustiques. (Publications UCSD / Michelle Bui (Akbari Lab)) Hands on 10 and 2
Certaines personnes ne sont pas à l'aise avec l'idée de modifier les populations sauvages et s'inquiètent des dangers inconnus d'une ingérence dans l'écosystème actuel. Abordant ce point, Gantz souligne le problème relativement peu familier des espèces envahissantes, notant que presque toutes les îles océaniques ont des souris ou des rats envahissants «qui ne sont pas censés être présents» et «créent d’énormes problèmes dans l’écosystème natif». les efforts en cours pour contrôler ces animaux envahissants qui ont été introduits, ironiquement, par l'activité humaine. Ainsi, note Gantz, un lecteur de gène pourrait être considéré comme «un moyen de remédier à tout cela» et de «remettre les choses comme elles étaient avant».
Andrea Crisanti, MD, PhD, professeur de parasitologie moléculaire à l'Imperial College de Londres, dirige des travaux sur les entraînements génétiques qui peuvent altérer la capacité de reproduction des moustiques, soit en ciblant les gènes impliqués dans la fertilité féminine, soit en induisant un biais sexuel chez la progéniture. (Crisanti Lab) Gantz admet qu'il est «très optimiste» sur le terrain. En effet, son inquiétude est à l'opposé de l'inquiétude de la plupart des autres. Son souci est que rien ne se produira car la technologie ne fonctionnera pas aussi bien que l'espéraient ses développeurs. C’est ce qui motive l’attention de son laboratoire sur l’optimisation des gènes et la création d’outils utiles.
Dans le film Human Nature, un documentaire sur CRISPR et ses implications, Ian Hodder, PhD, professeur au département d'anthropologie de l'Université de Stanford, déclare que "l'homme est très bon pour inventer des choses, mais très, très mauvais pour travailler. quelles sont les implications. »Bien que cela soit vraisemblablement vrai dans la plupart des domaines, les scientifiques à la tête du domaine des gènes génétiques sont extrêmement conscients du pouvoir des outils qu’ils construisent et ils sont donc prudents. En effet, Crisanti ajoute que les gens devraient savoir que "la technologie du génie génétique ne pourrait pas être entre des mains plus sûres pour le moment – les mains de scientifiques hautement responsables dans des institutions réglementées". Il ajoute qu'un "moratoire donnerait un avantage à ceux qui ne sont pas responsables . "
    

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