Quand le génie génétique entre en conflit avec l’évolution

Le Gene Drive promet de propager un trait à travers toute une population. On peut ainsi éradiquer toute une espèce. Mais les forces de l’évolution risquent d’être une barrière à cet accomplissement génétique sans précédent.


Le Gene Drive promet de propager un trait à travers toute une population. On peut ainsi éradiquer toute une espèce. Mais les forces de l'évolution risquent d'être une barrière à cet accomplissement génétique sans précédent.
Crédit : Ricardo Bessa/Quanta Magazine

Traduction d’un article de Quanta Magazine par Brooke Borel

Dans un auditorium rempli du Cold Spring Harbor Laboratory à New York, Philipp Messer, un généticien en population de l’université de Cornell, est monté sur scène pour discuter d’une des techniques les plus puissantes et controversées de la . On parle des .

Le peut forcer un trait à travers une population et il défit les règles habituelles de l’hérédité. En temps normal, un trait possède 50 % de chances de passer à travers la prochaine génération. Un Gene Drive permet d’atteindre une transmission proche de 100 %. De plus, la dominance continuera dans les prochaines générations. Vous voulez que des mouches de fruit possèdent des yeux clairs ? Modifiez un Drive pour la couleur des yeux et bientôt, la portée des mouches de fruit auront des yeux clairs et ainsi que leur portée et cela va continuer pour tous les générations. Le Gene Drives peut fonctionner sur toutes les espèces qui se reproduisent sexuellement et cette technique peut révolutionner le contrôle des maladies, l’agriculture, la conservation et de nombreux domaines. Les scientifiques pourront bientôt empêcher les moustiques de propager le paludisme ou d’éradiquer les espèces envahissantes.

Le Gene Drive en questions

Avec cette technologie, les humains possèdent la capacité de modifier les gènes de toute une population. Et avec un pouvoir aussi considérable, le Gene Drive soulève de nombreux problèmes éthiques et pratiques et cela ne vient pas seulement des détracteurs, mais également des scientifiques qui travaillent dessus. Et la présentation de Messer a souligné un couac considérable sur les plans des humains qui veulent modifier des écosystèmes. La nature va trouver un moyen de bloquer notre ingérence. Les pathogènes évoluent pour avoir la résistance antibiotique et les plantes peuvent résister aux pesticides. Les moustiques et les espèces envahissantes trouveront un moyen de s’adapter à l’attaque des Gene Drives, notamment si le Gene Drive est nocif à l’organisme en question. Tout organisme va tenter de se défendre contre une telle technique.

Sur le long terme et même avec le Gene Drive pour nous doper dans la course, l’ va nous coiffer au poteau selon Kevin Esvelt, un ingénieur évolutionnaire au MIT. Sur une échelle aussi immense que l’évolution, on ne peut pas faire grand-chose. La seule façon de battre l’évolution est l’extinction, car elle n’a pas les moyens de s’en relever.

Les Genes Drives sont une technologie récente et aucun organisme avec le Gene Drive n?a été libéré dans la nature. Quelques études de laboratoire ont montré que les Gene Drives fonctionnent en pratique que ce soit chez les mouches de fruit, les moustiques et la levure. Mais la plupart des expériences ont découvert que les organismes développent une résistance évolutionnaire qui va entraver le Gene Drives. Mais ces études suivent de petites populations d’organismes. Dans la nature, on a des populations beaucoup plus grandes avec une énorme diversité génétique et donc, l’organisme aura beaucoup plus d’opportunités de développer une résistance.

Il est impossible et contre l’éthique de tester un Gene Drive dans la nature. Une fois que le Gene Drive est libéré, on n’a aucun moyen d’appuyer sur le bouton Annuler. Certains chercheurs ont suggéré de libérer un second Gene Drive qui va supprimer le premier, mais cette approche est hypothétique. Et de toute façon, la libération d’un seconde Gene Drive ne va pas réparer les dommages du premier. L’autre option est de construire des modèles pour déterminer le comportement des populations sauvages par rapport à l’introduction du Gene Drive. Et Messer et d’autres chercheurs se concentrent sur cette option. Pour nous, il y avait un décalage certain. De nombreux généticiens construisent ces systèmes, mais il y en a très peu qui s’inquiètent de l’impact sur la nature. Au niveau d’une population et si vous intégrez des Genes Drives qui peuvent évoluer librement au fil des générations, alors soyez certain que la résistance va pointer le bout de son nez.

Pendant la présentation, Messer a discuté d’un modèle informatique construit par son équipe. Ce modèle est décrit dans un papier qui a été publié sur biorxiv.org. Ce papier fait partie de 2 autres travaux qui impliquent une résistance au Gene Drive sur cette plateforme. Les autres proviennent d’un chercheur de l’université du Texas et une équipe jointe du MIT et de Harvard. Selon Messer, son modèle suggère que la résistance contre le Gene Drive est inévitable.

Une illustration sur le fonctionnement du Gene Drive

Une illustration sur le fonctionnement du Gene Drive – Crédit : Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

On ignore encore l’interaction entre la résistance et le Gene Drive. Comment la nature va-t-elle nous répondre ? Est-ce qu’elle va simplement neutraliser le Gene Drive ? D’autre part, certains saluent cette capacité de l’évolution à contrer le Gene Drive. On peut ainsi le considérer comme une protection naturelle sur notre capacité de modification génétique. L’évolution est imprévisible, mais des mathématiciens et des biologistes tentent de prédire la réaction d’un Gene Drive s’il est libéré dans la nature.

La résistance n’est pas futile

Mais on ne doit pas être fier d’avoir inventé le Gene Drive. Cette technique est parfois utilisée par la nature. Les chercheurs ont pensé au Gene Drive il y a des décennies lorsqu’ils voulaient exploiter les versions naturelles du Gene Drive en les modifiant pour des approches plus radicales comme la radiation ou les substances chimiques selon Anna Buchman, une chercheuse postdoctorante dans la moléculaire à l’université de Californie. Ces étrangetés génétiques pouvaient être manipulées pour propager des gènes à travers toute une population ou pour la supprimer.

En 2003, Austin Burt, un généticien évolutionnaire à l’Imperial College London a proposé une approche plus précise appelée Gene Drive endonucléase Homing qui serait un complément dans une section spécifique de l’ADN pour le modifier. Burt a mentionné le problème de la résistance et il a suggéré certaines solutions. Mais pendant des années, il était difficile de créer un Drive en laboratoire à cause de l’état de la technologie. Avec l’avènement de la modification génétique, l’idée de Burt est devenue une réalité. En 2012, les scientifiques ont découvert le CRISPR, un outil génétique qu’on peut définir comme un traitement de texte moléculaire. Il a permis aux scientifiques de modifier l’information génétique de chaque organisme. localise une partie spécifique d’un code génétique et il coupe les brins d’ADN sur cette localisation et cela permet de supprimer, d’ajouter ou de remplacer des gènes.

Comprendre le CRISPR

Le CRISPR permet facilement de créer un Gene Drive. En premier lieu, les chercheurs fabriquent un Gene Drive alimenté par le CRISPR dans l’organisme. Quand l’organisme s’accouple, son chromosome équipé du CRISPR coupe le chromosome correspondant provenant de l’autre parent. La machinerie génétique de la portée va ensuite tenter de coudre cette coupe. Et quand il le fait, il copie la section pertinente de l’ADN provenant du premier parent qui contient également le Gene Drive de CRISPR. De cette manière, le Gene Drive peut se dupliquer en étant présent dans les 2 chromosomes et cela va se produire dans la portée de chaque organisme d’origine.

3 ans après la découverte du CRISPR, les scientifiques de l’université de Californie ont utilisé le CRISPR pour insérer des gènes héréditaires dans l’ADN des mouches de fruit en construisant le système qui a été proposé par Burt. Désormais, les scientifiques peuvent acheter les principaux outils biologiques sur le net et ils peuvent créer un Gene Drive en quelques semaines. Si vous avez des compétences en génétique et quelques centaines de dollars, alors vous pouvez fabriquer vos propres Gene Drives selon Messer.

De nombreuses techniques de Gene Drives peuvent fonctionner en pratique, mais il y en a 2 qui sortent du lot qui est le remplacement et la suppression. Un Gene Drive de remplacement va modifier un trait précis. Par exemple, un Gene Drive anti-paludique va changer le génome d’un moustique pour que l’insecte ne puisse plus collecter le parasite du paludisme. Dans cette situation, les nouveaux gènes se propageraient rapidement à travers une population pour qu’aucun des moustiques ne puisse plus propager le paludisme. On stopperait net la propagation de la maladie. Un Gene Drive de suppression permet d’exterminer toute une population. Par exemple, on utiliserait un Gene Drive qui forcerait toute la portée à être des mâles et donc, on supprime la reproduction et l’espèce par la même occasion.

Mais les populations dans la nature peuvent résister aux Gene Drives par des approches imprévisibles. Nous savons que les moustiques, notamment les moustiques responsables du paludisme possèdent cette biologie et comportement précis selon Flaminia Catteruccia, une entomologiste moléculaire à Harvard. Ces moustiques sont plus résistants que notre capacité à les modifier. Et une modification génétique sera difficile sur ces organismes. Et cette imprévisibilité pourrait être présente dans n’importe quelle espèce. Les 3 papiers sur biorxiv utilisent différents modèles pour comprendre cette imprévisibilité au niveau le plus simple.

Les mécanismes possibles de la résistance de l’évolution face au Gene Drive

Le groupe de Cornell a utilisé un modèle mathématique basique pour cartographier l’émergence d’une résistance évolutionnaire dans un Gene Drive de remplacement. Il se concentre sur la capacité de l’ADN à se restaurer après la coupure de CRISPR (Le Gene Drive crée une construction CRISPR dans chaque nouvel organisme pour qu’il puisse se couper, se copier et se coller par lui-même). L’ADN se répare automatiquement après une coupure. Et la manière dont il le fait est déterminée par une probabilité. Une option connue comme la jonction d’extrémités non homologues dans laquelle 2 extrémités, qui ont été coupées, sont recollées de manière aléatoire. Le résultat est comparable à lorsque vous prenez un paragraphe de texte, supprimez une phrase et vous la remplacez par un ensemble de mots arbitraires du dictionnaire. Vous aurez toujours une phrase, mais elle n’aura pas de sens. La seconde option est connue comme une réparation directe par homologie qui utilise un modèle génétique pour restaurer l’ADN coupé. C’est comme la suppression d’une phrase d’un paragraphe, mais qu’on copie ensuite une phrase connue pour la remplacer. Vous savez que cette phrase de remplacement va s’adapter au contexte.

Une jonction d’extrémités non homologues est une recette pour la résistance. Étant donné que le système CRISPR a été conçu pour localiser un brin spécifique de l’ADN, il ne va pas reconnaitre une section qui est l’équivalente de mots n’ayant aucun sens qui sont placés au milieu. Le Gene Drive ne va pas aller dans l’ADN et il ne va pas passer aux prochaines générations. Avec la réparation par homologie, le template va inclure le Gene Drive garantissant sa transmission.

Le modèle de Cornell a testé les 2 scénarios. Nos résultats dépendent de 2 choses, le taux de la jonction d’extrémités non homologues et la taille de la population selon Robert Unckless, un généticien évolutionnaire de l’université du Kansas qui a co-écrit le papier à Cornell. Si vous ne pouvez pas contrôler la jonction d’extrémités non homologues, alors la résistance est inévitable. Mais la résistance mettra du temps pour se propager ce qui signifie que vous pourrez atteindre temporairement vos objectifs. Par exemple, si vous voulez créer des moustiques résistants à une maladie dans une ville, alors le Gene Drive peut le faire avant l’apparition de la résistance.

L’équipe de Harvard et du MIT a également analysé la jonction d’extrémités non homologues, mais ils sont allés plus loin. Ils ont conçu un Gene Drive qui cible plusieurs localisations dans le même gène. Si un seul d’entre eux arrive à couper la section, alors le Gene Drive va se transmettre selon Charleston Noble, un étudiant doctorant de Harvard et principal auteur du papier. Vous avez beaucoup plus de probabilités que cela fonctionne. Le Gene Drive peut aussi cibler un gène essentiel selon Noble, notamment celui que l’organisme n’a pas le luxe de perdre. L’organisme veut expulser le Gene Drive, mais pas au prix de modifier un gène qui est essentiel à sa vie.

Le troisième papier sur biorxiv, de l’université d’Austin, a pris une approche différente. Il a regardé comment la résistance pouvait émerger au niveau d’une population via le comportement plutôt qu’une séquence ciblée de l’ADN. La population ciblée pourrait simplement arrêter de s’accoupler avec les individus génétiquement modifiés et cela bloque également le Gene Drive.

Les mathématiques nous disent que si une population est innée, alors à certains niveaux, le Gene Drive ne va pas fonctionner dans une population aléatoire selon James Bull, l’auteur du papier et un biologiste évolutionnaire à Austin. Ce n’est pas une séquence de l’évolution. Il y a toutes sortes de choses qui peuvent se produire afin que les populations bloquent le Gene Drive selon Bull. Et je soupçonne que ce n’est que le sommet de l’iceberg.

La résistance est uniquement contrainte par les limites de la créativité de l’évolution. Et elle peut émerger de n’importe quel aspect par rapport au génome de l’organisme. Et cette résistance peut s’étendre à l’environnement avoisinant. Par exemple, si un moustique est modifié pour résister au paludisme, alors le parasite peut simplement muter et provoquer une nouvelle infection.

Ce n’est pas une erreur, mais une caractéristique ?

Si l’objectif du Gene Drive est de promouvoir un trait à travers une population, alors la résistance est une mauvaise chose. Si le Drive arrête de fonctionner avant qu’une population entière de moustiques soit résistante au paludisme, alors la maladie va se propager quand même. Mais pendant la présentation, Messer a suggéré le contraire. Embrassons la résistance de l’évolution, car elle pourrait fournir un bon mécanisme de sécurité. Il serait possible que le Gene Drive aille suffisamment loin pour arrêter une maladie dans une région particulière, mais que ce Gene Drive soit stoppé pour éviter une propagation sur tous les moustiques du monde. Ce dernier cas est plutôt apocalyptique, car on a une inconnue totalement imprévisible qui peut ruiner de nombreux écosystèmes de manière simultanée.

Mais tout le monde n’accepte pas la vision optimiste de Messer. C’est une fausse sécurité selon Ethan Bier, un généticien à l’université de Californie. Si la stratégie de résistance est importante à étudier, ce chercheur s’inquiète que les scientifiques vont être trompés en pensant que la résistance offrira un filet de sécurité impénétrable par rapport à la sécurité réelle. Cela revient également à dire à la nature de se débrouiller pour limiter les dégâts du Gene Drive conçu par des humains à l’échelle d’un écosystème.

Et même si les modèles mathématiques sont pratiques, les chercheurs estiment qu’ils ne peuvent pas remplacer l’expérimentation. Les systèmes écologiques sont trop compliqués. Nous n’avons aucune expérience sur la modification des systèmes qui vont évoluer au-delà de notre contrôle. Nous n’avons jamais franchi cette étape selon Esvelt. Donc, je pense que ces modèles peuvent nous donner un levier sur les impacts du Gene Drive dans la nature, mais j’hésite avant de me baser uniquement sur ces modèles pour prédire les réactions de systèmes qui sont juste trop complexes.

Messer espère que ses travaux théoriques vont fonctionner sur le terrain, au moins dans son laboratoire. Il dirige actuellement une expérience de Gene Drive à Cornell qui traque plusieurs cages contenant environ 5 000 mouches de fruit et c’est supérieur à toutes les expériences sur la résistance. Le Gene Drive est conçu pour distribuer une protéine fluorescente à travers la population. Les protéines vont émettre une lueur rouge sous une lumière spéciale afin d’identifier l’apparition de la résistance.

D’autres travaillent également sur des expériences de résistance. Esvelt et Catteruccia travaillent avec George Church de la Harvard Medical School pour développer un Gene Drive dans les moustiques qui seront immunisés contre la résistance. Ils envisagent d’insérer plusieurs Gene Drive dans le même gène et c’est la stratégie suggérée par le papier du MIT et de Harvard. Ces expériences vont guider la prochaine génération des modèles informatiques. Je pense que c’est intéressant de faire des va-et-vient entre les hypothèses et le travail empirique. Nous sommes à la naissance du Gene Drive et on espère que cela vaudra le coup pour les 2 parties afin de proposer des décisions éthiques et bien informées sur ce que nous allons propager dans la nature.

 

N'oubliez pas de voter pour cet article !
1 étoile2 étoiles3 étoiles4 étoiles5 étoiles (No Ratings Yet)
Loading...
mm

Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *