la promesse de lecteurs de gènes

Austin Burt et Andrea Crisanti essayaient depuis huit ans de détourner le génome du moustique. Ils voulaient contourner la sélection naturelle et brancher un gène qui proliférerait dans la population plus rapidement qu'une mutation transmise par le processus habituel de l'héritage. Dans leur esprit, il y avait un moyen de prévenir le paludisme en disséminant un gène pour assommer les populations de moustiques afin qu'ils ne puissent pas transmettre la maladie.

Crisanti se souvient d'avoir échoué encore et encore. Mais finalement, en 2011, les deux généticiens de l’Imperial College London ont récupéré les résultats de l’ADN qu’ils espéraient: un gène qu’ils avaient inséré dans le génome du moustique avait rayonné dans la population, atteignant plus de 85% des descendants d’insectes..

Il s’agissait du premier «système génique»: une modification génétique conçue pour se propager dans une population dont le taux de transmission est supérieur à la normale. Les lecteurs de gènes sont rapidement devenus une technologie courante dans certains laboratoires; les scientifiques peuvent maintenant créer une voiture en quelques mois. La technique s'appuie sur l'outil d'édition de gènes CRISPR et sur quelques bits d'ARN pour modifier ou rendre silencieux un gène spécifique, ou en insérer un nouveau. Dans la génération suivante, le lecteur entier se copie sur son chromosome partenaire, de sorte que le génome ne possède plus la version naturelle du gène choisi, mais dispose de deux copies du lecteur de gène. De cette manière, le changement concerne jusqu’à 100% de la progéniture, au lieu d’environ 50% (voir «Comment fonctionne le travail sur les gènes»).

Depuis 2014, les scientifiques ont mis au point des systèmes de contrôle des gènes basés sur CRISPR chez les moustiques, les mouches des fruits et les champignons, et les développent actuellement chez la souris. Mais ce n’est que le début de l’histoire. Les questions relatives à la possibilité d'un entraînement génique ont été remplacées par d'autres inconnus: à quel point vont-ils fonctionner, comment les tester et qui devrait réglementer la technologie. Les lecteurs de gènes ont été proposés comme moyen de réduire ou d’éliminer les maladies transmises par les insectes, de contrôler les espèces envahissantes et même d’inverser la résistance aux insecticides chez les ravageurs. Selon M. Crisanti, aucune technologie génique n’a encore été libérée, mais la technologie pourrait en principe être prête d’ici trois ans. Il collabore avec Target Malaria, un consortium de recherche international à but non lucratif cherchant à utiliser des moustiques à transmission génétique pour lutter contre le paludisme en Afrique. Le 1er juillet, le groupe a publié un lot de tests de moustiques – génétiquement modifiés mais non encore équipés de lecteurs de gènes – dans un village du Burkina Faso.

Fredros Okumu, directeur des sciences à l’Institut de la santé Ifakara de Dar es Salaam, en Tanzanie, a déclaré Fredros Okumu, directeur scientifique de l’Institut de la santé à Dar es Salaam. «Les lecteurs de gènes se répandront d'eux-mêmes», dit-il. "Nous devons préparer les gens et partager des informations ouvertement avec tous les pays concernés."

Le bioingénieur Kevin Esvelt du Media Lab du MIT (Massachusetts Institute of Technology) à Cambridge, explique le bioingénieur Kevin Cambridge, qui a été l’un des premiers à créer un lecteur de gènes basé sur CRISPR. "Des technologies comme celle-ci ont des conséquences réelles sur la vie des gens, qui peuvent être presque immédiates."

Étant donné les préoccupations potentielles concernant les lecteurs de gènes, La nature explore cinq questions clés sur la technologie et ses applications.

Est-ce que les lecteurs de gènes fonctionnent même?

Construire une pulsion génétique pour manipuler ou éradiquer une population revient à se battre avec la sélection naturelle, et ce combat pourrait ne pas être facile à gagner.

Dès que les chercheurs ont commencé à créer régulièrement des lecteurs de gènes dans les laboratoires, les animaux ont développé une résistance contre ceux-ci – accumulant des mutations qui ont empêché les lecteurs de se propager. Dans les tests de deux lecteurs insérés dans les mouches des fruits, par exemple, des variants génétiques conférant une résistance se forment fréquemment. Le plus souvent, des mutations modifient une séquence que CRISPR est sur le point de reconnaître, empêchant ainsi l'édition du gène. Dans des expériences sur des moustiques en cage, Tony Nolan, chercheur chez Crisanti et Target Malaria, a observé une diminution progressive de la fréquence des gènes sur plusieurs générations en raison de mutations résistantes du gène cible.. Les résultats ont secoué le terrain. La résistance rendrait-elle impuissante les gènes?

Pas nécessairement – si les chercheurs choisissent la bonne cible. Certains gènes sont hautement conservés, ce qui signifie que tout changement est susceptible de tuer leurs propriétaires. Choisir ces gènes comme cible motrice signifie moins de mutations et moins de résistance. En septembre 2018, Crisanti et son équipe ont écrasé une population de cages Anopheles gambiae les moustiques avec une efficacité de 100% en faisant un lecteur qui perturbe un gène de fertilité appelé double sexe. Avec la voiture en place, les moustiques femelles ne peuvent pas mordre et ne pondent pas; entre 8 et 12 générations, les populations en cage ne produisirent aucun œuf. Et parce que c'est crucial pour la procréation, double sexe est résistant aux mutations, y compris celles qui conféreraient une résistance à une construction motrice.

L’équipe a mené neuf expériences en cage sur plus d’un million d’insertions de disques, ciblant double sexe et n'a pas vu de résistance, dit Crisanti. Maintenant, l'équipe adapte sa volonté de couper non pas un mais deux loci sur le double sexe gène, comme le traitement d'une maladie avec une combinaison de médicaments. «Je veux m'assurer que la probabilité de développer une résistance est très faible avant de dire que la technologie est prête pour le terrain», déclare Crisanti.

Chez les mammifères, les scientifiques ont beaucoup plus de problèmes fondamentaux à résoudre que de résister. L’année dernière, Kim Cooper et ses collègues de l’Université de Californie à San Diego (UCSD) ont conçu les prémices d’une pulsion génique chez un mammifère – une pulsion qui interrompt un gène de souris. Tyret rend blancs les manteaux des animaux. L’unité n’a réussi qu’à 72% à se reproduire dans le génome et n’a pas bien fonctionné dans la lignée germinale mâle, dit Cooper. Elle soupçonne que ceci est dû au fait que la division cellulaire se produit à différents moments de la formation des ovules et du sperme, ce qui semble affecter la capacité du lecteur à copier avec succès d'un chromosome à un autre.

Dans cette expérience, le lecteur ne s'est pas auto-propagé et Cooper n'a pas suivi le trait sur plusieurs générations. Elle a donc souligné que cela ne pouvait techniquement pas être considéré comme un lecteur de gène. «Il reste encore beaucoup de travail à faire pour montrer qu’une telle chose est encore réalisable», ajoute-t-elle.

A quoi d'autre les gènes sont-ils bons?

Bien que les applications de moustiques dominent le domaine, les utilisations proposées des systèmes génétiques comprennent également la conservation d’écosystèmes délicats et l’accélération des travaux de laboratoire.

Certains organismes ont des génomes difficiles à manipuler, mais cela pourrait aider les chercheurs à les étudier. Prendre Candida albicans, un pathogène fongique humain souvent résistant aux médicaments. En tant que chercheuse postdoctorale au Broad Institute et au MIT à Cambridge, au Massachusetts, Rebecca Shapiro a développé un système conduire des mutations dans le champignon avec une efficacité proche de 100%. Elle peut maintenant élever le champignon pour faire taire deux gènes indépendants et léguer ces mutations à la progéniture. «Cela fonctionne incroyablement efficacement», dit Shapiro, maintenant à l'Université de Guelph au Canada. À l'UCSD, Cooper utilise des lecteurs de gènes dans un but similaire, pour créer et étudier des traits complexes chez la souris.

Le programme de biocontrôle génétique des rongeurs invasifs (GBIRd) veut faire plus avec des souris génétiquement contrôlées que de les étudier en laboratoire. GBIRd, un partenariat d’universités, de gouvernements et d’organisations non gouvernementales gérées par le groupe à but non lucratif Island Conservation, souhaite utiliser cette technologie pour éliminer les rongeurs envahissants des îles, où ils ravagent la faune indigène. Les pesticides sont actuellement utilisés à cette fin, mais ils sont coûteux et difficiles à utiliser sur les grandes îles peuplées d’êtres humains. Elles ne sont réalisables que dans environ 15% des îles, déclare Royden Saah, responsable de programme pour le GBIRd. «Nous essayons d’examiner des technologies qui permettraient de prendre en charge les 85% restants.»

Les membres du GBIRd, David Threadgill de l'Université A & M du Texas à College Station et Paul Thomas de l'Université d'Adélaïde en Australie, développent des technologies de contrôle du gène chez la souris, bien que Saah estime qu'il faudra plusieurs années avant que ces dispositifs fonctionnent correctement.

Dans le même temps, certains chercheurs sur les moustiques espèrent essayer quelque chose de plus subtil que d'éliminer complètement les populations d'insectes afin de prévenir les maladies. En pré-impression de mai, Omar Akbari et ses collègues de l'UCSD ont conçu Aedes aegyptLes moustiques doivent exprimer un anticorps qui protège les insectes contre les quatre principales souches de dengue. Ils attachent maintenant cet anticorps à un lecteur pour voir s'il se propage. Akbari construit également un système génique polyvalent qui active une toxine lorsqu'un virus, pas seulement la dengue, infecte A. aegypti. «Nous voulons construire un cheval de Troie contre le moustique», explique Akbari. "Lorsqu'un moustique est infecté par un virus – qu'il s'agisse de dengue, de Zika, de chikungunya, de fièvre jaune, etc. – il active notre système, qui tue le moustique."

Peut-on contrôler les lecteurs de gènes?

Avant que Kevin Esvelt ne construise un seul système génique basé sur CRISPR, il se réveillait en sueur froide en réfléchissant aux conséquences. «J’ai réalisé, oh, hé, ce n’est pas seulement du paludisme, c’est potentiellement quelque chose que tout individu capable de fabriquer une mouche transgénique pourrait construire pour éditer toutes les mouches.

Il n’est donc pas surprenant que, en 2014, lorsque Esvelt et le généticien, George Church, aient construit leur première collecte de gènes à la Harvard Medical School de Boston, dans le Massachusetts, ils ont simultanément construit une inversion pour écraser la commande originale sur commande..

Le reste du domaine a emboîté le pas en développant des lecteurs de gènes avec des contrôles intégrés, des substitutions externes ou les deux. La majeure partie de cet effort est financée par la DARPA, l'agence de recherche du département de la Défense des États-Unis. En 2017, le programme Safe Genes de la DARPA a annoncé qu’il consacrait 65 millions USD à sept équipes de recherche américaines qui étudient les moyens de contrôler, de contrer et d’inverser les lecteurs de gènes. «Nous réduisons les risques d’utilisation abusive, qu’elle soit accidentelle ou néfaste», explique Renee Wegrzyn, responsable du programme Safe Genes.

Esvelt, financé au cours de la phase initiale du programme, a mis au point un système d’épuisement automatique appelé lecteur de marguerite. L'entraînement est conçu pour perdre un maillon à la fois, comme cueillir une fleur d'une chaîne reliée de la tête à la tige, jusqu'à ce qu'elle s'épuise sur plusieurs générations..

À l’UCSD, l’équipe d’Akbari, financée par la DARPA, développe des systèmes de gènes qui ne devraient pas pouvoir se propager au-delà d’une population cible de moustiques ou de mouches. Un tel lecteur nécessite une libération continue pour plusieurs générations. Lorsque ces rejets cessent, il se dilue avec les versions de type sauvage du gène et s’efface en quatre ans. Cela pourrait être assez long pour éliminer un virus tel que Zika ou la dengue d'une population de moustiques, explique Akbari. "C’est quelque chose qui est, à mon avis, un peu plus sûr et qui reste assez efficace." L’équipe a déjà produit plusieurs versions de ces disques pour A. aegypti, principal vecteur du virus de la dengue.

L’équipe cible paludisme élabore également une contre-mesure, financée par la DARPA, afin d’arrêter la propagation de la maladie. double sexe conduire dans une population.

Comment peut-on tester les génomes?

Au lieu d'un test sur le terrain – ce que le contrat DARPA Safe Genes interdit expressément et pour lequel les chercheurs s'accordent à dire que la technologie n'est pas prête – des équipes intensifient leurs expériences en cage et construisent des modèles écologiques pour explorer les avantages et les risques d'une libération sauvage en toute sécurité.

Dans la ville de Terni, dans le centre de l'Italie, Crisanti et Nolan ont enrichi leurs cages à moustiques des conditions environnementales changeantes. «Nous voulons évoluer afin de le tester sur différents antécédents génétiques, dans des scénarios plus réalistes», a déclaré Nolan, qui dirige maintenant un laboratoire à la Liverpool School of Tropical Medicine, au Royaume-Uni. Lui et Crisanti veulent reproduire le comportement d'accouplement naturel – par exemple, des mâles formant des essaims pour attirer les femelles – afin de voir en quoi il affecte la propagation d'un gène.

La dynamique de propagation du disque dans ces cages est jusqu'à présent "prometteuse", dit Crisanti – le disque est passé efficacement sans signes de résistance. Si aucun problème ne se pose lors des expériences sur des cages plus grandes, l’équipe remettra la technologie à des groupes indépendants à des fins d’essais, en vue d’obtenir l’approbation réglementaire dans environ trois ans, a-t-il déclaré.

L’équipe cible paludisme est également en train de construire des modèles écologiques des sites de libération potentiels afin de déterminer la dynamique sur le terrain. L'étude la plus récente modèles de populations de moustiques dans plus de 40 000 colonies au Burkina Faso et dans les pays voisins. Il prend en compte les rivières, les lacs et les précipitations, ainsi que des données de terrain sur les déplacements des moustiques. Les resultats montrer qu’il sera nécessaire d’introduire de manière répétée plusieurs moustiques modifiés au cours des quelques années à travers les villages pour réduire le nombre total d’insectes.

«La théorie dit que, en principe, si vous relâchez une fois, cela se répandrait à l'échelle du continent. La réalité est que cela se produirait très lentement », déclare le biologiste des populations Charles Godfray de l’Université d’Oxford, au Royaume-Uni, collaborateur de Target Malaria et chercheur principal de l’étude.

Une autre préoccupation est que les lecteurs de gènes ont le potentiel de modifier des populations entières et donc des écosystèmes entiers. Ils pourraient également, en théorie, nuire à la santé humaine en faisant en sorte que le parasite du paludisme devienne plus virulent ou soit porté par un autre hôte, explique la biologiste moléculaire et bioéthicienne Natalie Kofler. Elle est la directrice fondatrice du groupe Editing Nature de l'Université Yale à New Haven, dans le Connecticut, qui vise à aborder les technologies de la génétique environnementale dans le monde entier. «Cette technologie a le potentiel d'être extrêmement puissante et de changer le cours de choses que nous ne serions peut-être pas en mesure de prédire», déclare Kofler.

Qui décide quand utiliser un lecteur de gène?

Pour les essais de médicaments, une entreprise peut commencer à se préparer pour un essai sur le terrain un an ou deux à l’avance. Les lecteurs de gènes auront besoin de plus de temps, dit Okumu. L'année dernière, il faisait partie d'un groupe de travail scientifique composé de 15 membres, organisé par la Fondation des instituts nationaux de la santé, qui a formulé une série de recommandations. pour l'utilisation de moustiques génétiques en Afrique subsaharienne.

Le rapport souligne que les gouvernements, les communautés et les scientifiques locaux auront besoin de temps pour assimiler la science et disposer du pouvoir nécessaire pour réglementer la technologie. «Je le dis avec conviction – au bout du compte, ce sont les pays eux-mêmes qui sont les mieux placés pour prendre ces décisions», déclare Okumu.

En 2017, Kofler a réuni un groupe de scientifiques et d’éthiciens pour s’attaquer aux questions de société entourant les lecteurs de gènes.. «Les principales questions portent sur la justice», a déclaré Kofler. Dans les discussions sur la libération d'un organisme génétiquement modifié dans un environnement africain, les groupes qui ont été historiquement marginalisés ont le droit de faire partie du processus de prise de décision, a-t-elle déclaré.

Okumu souhaite que les scientifiques africains développent et testent localement des technologies induisant des gènes, ce qui nécessitera le respect et la volonté des bailleurs de fonds pour soutenir de tels efforts. «Les gens ont peur de l'inconnu, et l'inconnu est actuellement présenté du point de vue occidental», a déclaré Okumu. «Je suis impatient de voir un jour où nous pourrons construire ces constructions dans nos propres laboratoires et ainsi renforcer la confiance locale.»

En août 2018, l'Agence nationale de biosécurité du Burkina Faso a autorisé Target Malaria à libérer une souche de moustique mâle stérile génétiquement modifié, la première du genre sur le continent africain. La semaine dernière, l’équipe a libéré environ 6 400 moustiques génétiquement modifiés, mais qui ne sont pas porteurs de gènes. Les scientifiques espèrent que cette publication améliorera la perception de la recherche et fournira des données pour les futures publications.

Et bien que les souris génétiquement modifiées soient loin d’être prêtes à être relâchées, le GBIRd collabore déjà avec des évaluateurs des risques, des éthiciens et des écologistes pour identifier une île en vue d’un essai initial sur le terrain. «Nous voulons nous assurer de bien faire les choses», dit Saah. «Peu importe la vitesse à laquelle les technologies évoluent, nous pouvons faire progresser les sciences sociales et l’éthique maintenant.»