Percée de CRISPR/Cas
Des "ciseaux génétiques" améliorés permettent l'insertion stable de gènes de grande taille
Progrès majeurs sur le front de CRISPR. Des scientifiques de l'Institut Leibniz de biochimie végétale (IPB) ont réussi pour la première fois à insérer de manière stable et précise de grands segments de gènes dans l'ADN de plantes supérieures de manière très efficace. Pour ce faire, ils ont optimisé la méthode d'édition de gènes CRISPR/Cas, communément appelée "ciseaux génétiques". La méthode CRISPR améliorée offre de grandes possibilités pour la modification ciblée des gènes chez les plantes supérieures, tant pour la sélection que pour la recherche. L'étude dirigée par le professeur Alain Tissier et le docteur Tom Schreiber a été publiée dans la revue Molecular Plant.
CRISPR/Cas est une méthode au potentiel énorme pour la modification ciblée de gènes individuels. Cependant, elle ne s'applique pas à tous les types de modifications génétiques que les sélectionneurs et les scientifiques ont sur leur liste de souhaits. Si les ciseaux génétiques sont parfaits pour éliminer des gènes, c'est-à-dire pour désactiver ou supprimer des gènes existants, ils ne fonctionnent pas bien pour insérer avec précision des gènes ou remplacer des segments de gènes. Jusqu'à présent, les ciseaux génétiques se sont révélés trop inefficaces et donc peu utiles pour l'insertion ciblée de gènes dans l'ADN des plantes supérieures.
"La raison en est la machinerie de réparation interne de la plante pour les cassures de l'ADN", explique le Dr Tom Schreiber. Ces enzymes de réparation sont immédiatement présentes dès que l'ADN est endommagé. Elles reconnaissent également les coupures douces faites par les ciseaux génétiques et rejoignent instantanément les deux brins d'ADN coupés de la double hélice. Ce recollage de l'ADN coupé se produit très rapidement et de manière peu précise ; il y a de petites pertes d'information, de minuscules sections d'ADN étant perdues ou ajoutées. "Ces imprécisions ne sont pas un problème dans les projets de knock-out et sont même souhaitables", explique Tom Schreiber, "car je veux de toute façon désactiver le gène. Mais si je veux insérer un gène, il faut le faire avec une grande précision. L'information génétique doit être insérée exactement, il ne doit pas manquer un seul composant et aucun composant supplémentaire ne doit être intégré, sinon le gène perd sa fonction et toute l'expérience a été vaine."
C'est pourquoi l'insertion précise et sans cicatrice de gènes ou de segments d'ADN de grande taille par CRISPR/Cas n'a jusqu'à présent été couronnée de succès que dans de rares cas individuels. Afin d'augmenter le taux de réussite de l'insertion de gènes, les scientifiques de Halle ont équipé les ciseaux génétiques d'une enzyme supplémentaire, une exonucléase. Les exonucléases peuvent modifier les sites de clivage de l'ADN créés par les ciseaux génétiques de telle sorte que les enzymes de réparation internes de la cellule ne peuvent plus reconnaître et réparer les dommages causés à l'ADN. Le segment d'ADN à insérer par CRISPR/Cas aurait donc suffisamment de temps pour s'intégrer à la bonne position grâce à un autre mécanisme de réparation cellulaire très précis.
Lors de l'expérience, les scientifiques de Halle ont testé diverses exonucléases d'origine virale, bactérienne, végétale et humaine pour déterminer leur capacité à augmenter le nombre d'événements précis d'insertion de gènes. Ils ont introduit les ciseaux génétiques avec les exonucléases correspondantes et un segment de gène X dans les cellules de la feuille de tabac Nicotiana benthamiana. Ces cellules de tabac avaient été préalablement équipées d'un gène pour un marqueur fluorescent vert. Elles contenaient également un gène X détruit, nécessaire à la formation du colorant fluorescent vert. Cependant, le marqueur fluorescent ne peut pas être produit tant qu'une grande partie de l'information génétique du gène X est manquante.
Le marqueur vert ne peut être produit que lorsque la section manquante du gène X est précisément réinsérée à l'aide de CRISPR/Cas, réparant ainsi le gène X. Chaque cellule ayant réussi l'insertion du gène devient alors fluorescente en vert et les chercheurs peuvent simplement compter le taux d'événements d'insertion de gènes réussis. Deux des exonucléases testées, dont une de la famille des virus de l'herpès, se sont révélées particulièrement efficaces. En les utilisant, l'équipe de Halle a obtenu 38 fois plus d'insertions parfaites de gènes qu'avec CRISPR/Cas seul.
Cette approche expérimentale a ensuite été testée avec d'autres gènes à incorporer et dans d'autres plantes, à savoir le cresson de terre (Arabidopsis thaliana) et le blé. Comme l'insertion du gène dans les plants de tabac n'a eu lieu que localement dans les feuilles, le gène intégré a été perdu dans la génération suivante et n'a donc été présent dans le génome que pendant une période limitée. C'est pourquoi, chez Arabidopsis et le blé, les experts CRISPR de Halle ont essayé d'incorporer le gène dans les cellules de la lignée germinale afin d'assurer une transmission stable aux générations futures de plantes. Avec l'aide des exonucléases testées, l'introduction stable, c'est-à-dire héréditaire, de gènes s'est avérée fructueuse chez Arabidopsis, avec une fréquence multipliée par dix, et chez le blé, dans plus d'un pour cent des plantes filles. "Un pour cent ne semble pas beaucoup à première vue", explique Tom Schreiber, "mais si un sélectionneur veut introduire un certain caractère dans sa plante, il n'aurait qu'à cribler environ 50 à 100 plantes filles de première génération à l'aide de notre méthode CRISPR/Cas optimisée pour trouver une plante avec le caractère désiré. Cela représente un gain de temps considérable par rapport aux méthodes de sélection conventionnelles, qui nécessitent l'analyse de 500 à 1 000 plantes.
Conclusion : La méthode CRISPR/Cas optimisée est un outil prometteur pour l'insertion ciblée de gènes dans les plantes supérieures et éventuellement dans d'autres organismes. À l'avenir, les sélectionneurs de plantes pourraient utiliser cette méthode, par exemple, pour réintroduire des gènes de résistance aux agents pathogènes perdus chez des espèces sauvages ou d'anciennes variétés cultivées dans des variétés élites modernes à haut rendement. De cette manière, des caractéristiques souhaitables comme celles-ci pourraient améliorer la sélection végétale et contribuer au développement de variétés de cultures plus robustes. Pour la science, cette approche offre de grandes possibilités de remplacer élégamment certains gènes végétaux par des copies modifiées d'eux-mêmes en une seule étape. Cela est particulièrement utile pour élucider la fonction des gènes.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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