Gene Drive et CRISPR: histoire, potentiel et startups

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La nature même de la race humaine va bientôt changer. Ces changements seront radicaux et rapides - il n'y a jamais eu de telles choses dans l'histoire de notre espèce. Un chapitre de notre histoire vient de se terminer et le suivant commence.



La révolution dans l'existence humaine sera possible grâce à une nouvelle technologie génétique avec le nom inoffensif CRISPR (prononcé «crispr»). De nombreux lecteurs ont peut-être déjà vu ce nom dans les nouvelles, et bientôt d'autres médias grand public le reprendront. CRISPR signifie Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (courtes répétitions palindromiques, régulièrement espacées en groupes). CRISPR est à la génomique ce que vi (un éditeur de texte visuel sous Unix) est au logiciel. CRISPR est une technologie d'édition du génome qui offre aux ingénieurs génétiques une opportunité sans précédent: il les transforme en hackers de gènes. Avant l'avènement de CRISPR, le génie génétique était lent, coûteux et imprécis. Désormais, l'édition du génome peut être effectuée à moindre coût, avec précision et de manière reproductible.



Ce texte est un récit très peu technique de l'histoire du développement de CRISPR. Nous parlerons également de Gene Drive [1], une technique biologique qui, lorsqu'elle est utilisée en conjonction avec CRISPR, donne encore plus de puissance aux ingénieurs génétiques. Ci-dessous, j'ai ajouté quelques liens pour ceux qui souhaitent approfondir ce sujet - vous pouvez les lire pour plus de détails techniques. En fin de compte, je parlerai brièvement des implications et des perspectives de ces technologies.



Jetons un coup d'œil aux informations de base. Le code génétique décrit dans l'ADN peut être considéré comme un logiciel qui donne naissance à toutes sortes de vie qui existent sur notre planète. Les généticiens étudient les méthodes de décodage du génome, mais tout est compliqué par le fait qu'ils ont très peu de possibilités de changer ce code. Par comparaison, imaginez si les développeurs de logiciels avaient accès à un grand nombre de programmes extrêmement puissants qu'ils comprennent à peine et dont ils ne peuvent pas changer le code. Mais si la possibilité de modifier le code apparaît et que les scientifiques peuvent modifier le «logiciel génétique», alors la recherche peut être prise au sérieux. Les ingénieurs auront la possibilité non seulement de changer le code, mais aussi de le corriger et de l'améliorer. Les hackers réapparaîtront.



Il sera plus facile de comprendre cette technologie étonnante si vous découvrez d'où elle vient. Dans les années 1980, des scientifiques de l'Université d'Osaka ont séquencé l'ADN de la bactérie E Coli et ont remarqué quelque chose d'étrange. L'ADN se composait de longues chaînes de nucléotides, et à l'intérieur se trouvaient des amas répétitifs de séquences nucléotidiques étranges qui n'étaient pas à leur place. Ils semblaient être interrompus par des brins d'ADN aléatoires. Au fil du temps, des grappes similaires ont été trouvées dans plusieurs autres bactéries et ont été appelées CRISPR (ce nom décrit assez succinctement ce que les scientifiques ont découvert). Cependant, personne ne savait ce que c'était et quelles étaient les fonctions de cette découverte.



Plusieurs découvertes ont permis aux scientifiques de répondre à ces questions, mais il convient de souligner deux des plus importantes. Premièrement, trois équipes différentes ont récemment utilisé de nouvelles bases de données de matériel génétique et ont remarqué que ces brins CRISPR ressemblaient à de l'ADN viral inhabituel. Deuxièmement, le brillant biologiste évolutionniste du Centre national d'information biotechnologique Evgeny Kunin est arrivé à la conclusion clé qu'il s'agissait d'un mécanisme bactériologique de protection contre les virus. Cette idée a finalement conduit à la formulation de l'objectif de CRISPR.



Nous, les humains, combattons constamment diverses bactéries et virus, il peut donc nous surprendre que les bactéries et les virus eux-mêmes se battent pour leur propre survie depuis des milliards d'années. Chaque jour, des milliards et des milliards de bactéries sont tuées par des virus (les virus qui attaquent les bactéries sont appelés phages). La plupart des gens parviennent à faire face à leurs phages, en grande partie grâce à «l'arme» dont nous disposons après plusieurs milliers d'années d'évolution - l'immunité. Il s'avère que CRISPR est une arme très efficace qui peut être utilisée par le système immunitaire.



Permettez-moi d'être clair sur un point pour éviter toute confusion. Nous avons discuté plus tôt que CRISPR est une description de certains brins d'ADN inhabituels. Pour utiliser ces chaînes comme mécanisme de défense ou pour modifier le génome (plus à ce sujet plus tard), vous avez besoin d'un outil appelé Cas. Si vous lisez sur les protéines Cas, vous pourriez également voir Cas9 (ou Cas3, etc.) mentionné. L'ensemble complet de ces outils est parfois appelé CRISPR / Cas, mais généralement ils disent simplement CRISPR, ce à quoi je m'en tiens.



Voyons comment tout cela fonctionne. Lorsque les bactéries avec CRISPR parviennent à combattre les attaques virales, elles utilisent des protéines Cas pour capturer des fragments d'ADN viral et insérer ces fragments dans leur ADN. Si le virus est assez malchanceux pour attaquer une bactérie aussi bien préparée, alors cette bactérie même utilise la chaîne CRISPR comme modèle pour reconnaître le virus et utilise Cas pour briser le virus en particules inoffensives.



C'est un mécanisme très cool. Les protéines Cas copient les gènes CRISPR viraux de leur propre ADN dans des molécules d'ARN (comme l'ADN, l'ARN est très important pour enregistrer la structure du génome), grâce à quoi une structure constituée de la protéine Cas et de l'ARN est formée. Après sa création, cette structure commence à errer dans la cellule. Lorsque cette structure entre en collision avec une autre molécule, elle vérifie si elle contient de l'ADN et, si elle est trouvée, lit la séquence nucléotidique. Si cette séquence correspond à la chaîne CRISPR stockée, alors un virus connu a été rencontré. L'ARN est ensuite capturé et les enzymes CAS clivent l'ADN viral comme une guillotine (ou le tuent si vous voulez penser aux virus comme vivants). Si pour vous tout cela ressemble à une sorte d'algorithme immunologique implémenté par des entités de la biologie, alors vous avez généralement raison:



CRISPR.() //    
     (        CRISPR.)
        CRISPR.cas9.() //   
        CRISPR.cas9.() // 


      
      





CRISPR.wander() - until encounter another molecule
        If (new molecule contains DNA and DNA matches
            CRISPR.dna) CRISPR.cas9.grab() // nab the viral dna
            CRISPR.cas9.chop() // kill the virus!
    continue
      
      





Cool, non? Déchiffrer cette énigme pourrait amener son auteur à obtenir un doctorat ou faire d'un professeur adjoint un professeur, mais maintenant vous pouvez même obtenir un prix Nobel pour cela - après tout, nous parlons d'une découverte qui peut changer le destin de l'humanité. Le fait est que plusieurs équipes différentes y ont travaillé indépendamment (et maintenant elles sont en compétition les unes avec les autres [2]), et un aperçu incroyable est descendu sur chacune de ces équipes. Ils ont réalisé que le système immunitaire, créé à la suite de millions d'années d'évolution, pouvait révolutionner le génie génétique. Si les scientifiques ont la possibilité d'utiliser le mécanisme CRISPR, ils seront en mesure d'isoler et de découper avec précision des fragments d'ADN individuels. De plus, avec l'aide de CRISPR et de deux protéines Cas9 différentes, ils pourront découper avec précision des segments entiers de structures arbitraires. Sûr,ce n'est que la moitié de la tâche de l'édition du génome. Après avoir supprimé la séquence indésirable, vous devrez insérer les gènes dont nous avons besoin à sa place. En fin de compte, c'est très simple. Il vous suffit d'introduire le ou les gènes avec lesquels vous souhaitez remplacer les fragments supprimés, et les enzymes de restauration existantes assembleront tout elles-mêmes.



L'une des caractéristiques les plus intéressantes de CRISPR est qu'il est polyvalent (contrairement à la plupart des méthodes d'édition du génome déjà existantes - elles fonctionnent avec un nombre limité d'organismes). En théorie, CRISPR peut fonctionner avec n'importe quelle forme de vie (terrestre).



Réfléchissons un instant à tout ce que CRISPR peut faire pour l'avenir de l'humanité. Nous pourrons neutraliser nos ennemis dans le règne animal. Nous pourrons traiter les maladies génétiques. Peut-être pouvons-nous développer une thérapie contre toute maladie virale ou bactériologique, et cette thérapie sera individuelle et extrêmement efficace. Peut-être pouvons-nous même trouver un remède contre le cancer. Et (ou peut-être devrions-nous dire «mais») nous aurons la possibilité de créer des gens «par ordre individuel», ou, d'ailleurs, toute autre forme de vie.



Il s'agit de CRISPR - la technologie de génie génétique la plus puissante jamais créée. Cependant, CRISPR nous permet de modifier un seul gène et un seul organisme à la fois. Pour apporter des modifications à l'ensemble de la vue, CRISPR nécessite une autre technologie: Gene Drive. Définissons-le d'abord, puis faisons une digression rapide mais appropriée et parlons de l'un des hacks les plus célèbres de l'histoire de la programmation.



Le concept Gene Drive existe depuis environ 15 ans. Certaines versions de gènes (également appelées allèles) se propagent à travers les générations chez les espèces sexuellement reproductrices. Cela signifie que l'allèle est hérité par chacun des descendants avec une probabilité de 50% (à condition qu'un seul des parents ait cette version particulière), puisque la moitié de l'ADN de la progéniture provient de chacun des parents. Donc, si nous avons un allèle pour les yeux bleus et un allèle pour le marron, les yeux de votre enfant seront bleus ou bruns avec une probabilité de 50%. Il est évident que quels que soient les facteurs externes dans la prochaine génération, l'allèle sera transmis avec une probabilité de 25%, et ainsi de suite. De quels facteurs externes parle-t-on? Le plus évident est la sélection naturelle. Si un certain allèle donne à son propriétaire un certain avantage,puis les noms qu'il est plus susceptible d'être transmis à la population ultérieure. Gene Drive est un mécanisme qui rend les gènes "égoïstes", augmentant la probabilité de leur héritage avec une probabilité de plus de 50%, quelle que soit l'influence de la sélection.



Cette idée est très importante si nous voulons utiliser CRISPR pour avoir un impact important sur des populations entières. Par exemple, pour changer les moustiques afin qu'ils ne propagent plus le paludisme, nous devrons ne pas appliquer CRISPR à des millions de moustiques et voir comment nos changements que nous avons apportés s'affaiblissent au fil des générations (à condition que ces changements ne donnent aucun avantage à l'espèce), mais utiliser Gene Drive, car cette technologie est beaucoup plus efficace pour propager des gènes dans une population. C'est là qu'un nouveau personnage apparaît dans notre histoire, Kevin Esvelt du MIT. L'idée d'Esvelt était d'utiliser Gene Drive en combinaison avec la précision exceptionnelle de CRISPR. Ainsi, il a réussi à créer la technologie Gene Drive la plus puissante de l'histoire.



Pour comprendre ce qu'il a fait, touchons au monde du logiciel. En 1984, Ken Thompson, l'inventeur du système d'exploitation Unix et l'un des plus grands programmeurs de tous les temps, a écrit sur son hack préféré [3]. Ils ont écrit un brillant virus récursif qui pourrait infecter n'importe quelle infrastructure Unix-OC. Cela a fonctionné comme ceci:



  • Thompson a d'abord modifié le code source du programme d'autorisation standard Unix (écrit en C). Cela était nécessaire pour créer une porte dérobée secrète qui vous permet de devenir n'importe quel utilisateur du système.


if (mot de passe == "mot de passe" ou mot de passe == "mot de passe spécial Ken") a

autorisé les utilisateurs



if (mot de passe == "mot de passe de l'utilisateur" ou mot de passe == "mot de passe spécial de ken"),

l' utilisateur de connexion .



Ce simple hack a donné à Thompson un accès complet à tout système Unix dans lequel sa version du programme de connexion était intégrée. Mais c'était évident pour tous ceux qui voyaient le code source de ce programme.



  • Ensuite (et c'est vraiment insidieux) Thompson a modifié le code source du compilateur C afin qu'il puisse reconnaître la compilation du code pour la connexion et injecter le code viral dans le fichier résultant, quel que soit le code source entré. [4]


Ainsi, le code censé reconstruire tout le noyau du système Unix a été modifié pour créer une version piratée de l'OS. Et c'est un bon analogue de la façon dont Kevin Esvelt a réussi à déchiffrer l'ADN.



Esvelt s'est rendu compte que l'ADN est le compilateur de la vie elle-même. Tout dans la vie, y compris les chaînes CRISPR, a été créé par ce compilateur. Ainsi, comme Thompson, Esvelt s'est rendu compte que vous pouvez modifier le compilateur lui-même pour changer ce qu'il compile (quelles que soient les instructions utilisées dans le programme d'origine). Considérez une description simplifiée du hack Esvelt:



  • Créez une chaîne CRISPR qui sera appliquée à l'ADN de l'embryon pour apporter les changements souhaités. Par exemple, remplaçons le gène des yeux bruns par le gène du bleu.
  • CRISPR, , , . , , .
  • , , CRISPR, , , . , ( CRISPR) , .
  • . , !


C'est l'essence de Gene Drive. Quels que soient les changements que vous apportez, ils seront reproduits dans tous les descendants avec une probabilité de 100% [5]. Cela conduira au fait que de nouveaux traits passeront à travers le génome de toute l'espèce à un rythme exceptionnel.



Alors que nous essayons de contrôler divers organismes (des moustiques aux bactéries), il y aura de nombreuses utilisations et applications de la technologie Gene Drive. Cependant, imaginons l'appliquer à notre espèce. Certains pourraient soutenir qu'il est immoral de modifier les embryons humains de cette manière. Les politiciens, les chefs religieux et les éthiciens déclareront que l'utilisation de CRISPR (en particulier pour changer l'humanité) est illégale. D'un autre côté, réfléchissons aux avantages. Les maladies génétiques peuvent être complètement éliminées avant la naissance du bébé. De plus, nous comprenons de mieux en mieux la structure et la structure du génome - imaginez simplement tous les avantages que nous pouvons offrir à nos enfants (et avec l'aide de Gene Drive - et aux enfants de nos enfants). Pensez aux avantages pour la société,peut-être pouvons-nous augmenter le QI de tous les enfants de 10 (ou 20 ou 30) points.



Qu'est-ce qui peut empêcher et empêcher les gens de changer les caractéristiques de la population? Revenant à l'exemple ci-dessus, que se passe-t-il lorsque (et si) les scientifiques ont une compréhension complète de la base génétique de l'intelligence avancée? Qu'est-ce qui empêchera les gouvernements d'interdire le changement dans leurs populations? Et que choisiraient de faire les gouvernements rivaux?



Chez YCombinator, nous avons déjà commencé à investir dans les startups CRISPR, et je pense que nous allons développer cette direction. Il est important de comprendre qu'une fois que les «programmeurs» génétiques auront accès au code de la vie, il n'y aura pas de limites. La variété des applications (existantes et potentielles) est frappante en ce moment. Les scientifiques ont utilisé CRISPR pour modifier le génome des chèvres afin qu'elles produisent de la soie d'araignée (un matériau très inhabituel et difficile à produire en grande quantité) dans leur lait! Il a également été suggéré que CRISPR peut traiter l'hémophilie et même remplacer les antibiotiques. Des scientifiques chinois ont utilisé CRISPR pour modifier des embryons humains (non viables), et cette affaire a suscité de nombreuses controverses. Les humains alimentés par CRISPR ne sont pas aussi loin qu'ils le paraissent.



Les techniques et technologies d'application de CRISPR s'améliorent de plus en plus. Ils deviennent plus précis, prévisibles et moins chers. Nous en apprenons de plus en plus sur le code génétique (en partie grâce au fait qu'avec CRISPR, nous pouvons voir ce qui se passe lorsque nous retirons un gène et en insérons un autre à sa place). La technologie ne peut pas être arrêtée, et il y a une conclusion inévitable: dans un avenir pas très lointain, nous pourrons programmer presque toutes les créatures à notre guise. Y compris les gens. La question de savoir si nous résisterons à l'envie de réviser les définitions de l'existence humaine est une question ouverte. Je pense qu'une étape décisive de la part d'une personne ou d'une société n'est qu'une question de temps.



Merci à Sam Altman, Craig Cannon, Karen Lien et John Ralston qui ont lu et commenté les premières versions de ce texte.



Liens



RadioLab - CRISPR

Breakthrough DNA Editor Born of Bacteria - Quanta Magazine

Rewriting the Code of Life - The New Yorker, 2 janvier 2017 - Michael Spector

Emerging Technology: Concerning RNA-guided gene drives for the alteration of wild populations - Kevin M Esvelt, Andrea L Smidler, Flaminia Catteruccia et George M Church

CRISPR

Wiki Gene Drive Wiki



Remarques



  1. Si vous préférez écouter plutôt que lire, RadioLab a un excellent podcast CRISPR disponible ici.
  2. L'UC Berkeley et le BROAD Institute dans le Massachusetts sont deux principaux opposants dans le différend sur les droits CRISPR. La chronologie du travail de BROAD peut être vue ici.
  3. Les ramifications du piratage de Ken Thompson sont énormes. Voici l'essai classique de Thompson, «Réflexions sur la question de savoir si la confiance peut être faite», et un bon résumé de ses conclusions.
  4. Si vous lisez le piratage de Thompson, vous découvrirez qu'il est allé encore plus loin et a modifié le compilateur C afin qu'il puisse se reconnaître et injecter le code de reconnaissance de la routine d'autorisation dans le programme d'injection de code.
  5. Cette affirmation n'est pas entièrement vraie pour toutes les générations. Même si l'efficacité doit être très élevée au début, la biologie nous surprend souvent. Les chercheurs ont découvert que les organismes peuvent en fait développer une résistance à Gene Drive (un peu comme la résistance aux antibiotiques).





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