Jennifer Doudna et Emmanuelle Charpentier se partagent le prix Nobel de chimie 2020 pour leur découverte d’une technique d’édition de gènes qui change la donne.Crédit : Alexander Heinel/Picture Alliance/DPA
C’est CRISPR. Deux scientifiques qui ont été les pionniers de la technologie révolutionnaire d’édition de gènes sont les lauréats du prix Nobel de chimie de cette année.
La sélection par le comité Nobel d’Emmanuelle Charpentier, actuellement à l’unité Max Planck pour la science des pathogènes à Berlin, et de Jennifer Doudna, à l’université de Californie à Berkeley, met fin à des années de spéculation sur qui serait reconnu pour leur travail de développement des outils d’édition de gènes CRISPR-Cas9. Cette technologie permet des modifications précises du génome et a balayé les laboratoires du monde entier depuis sa création dans les années 2010. Elle a d’innombrables applications : les chercheurs espèrent l’utiliser pour modifier les gènes humains afin d’éliminer les maladies ; créer des plantes plus résistantes ; éliminer les agents pathogènes et plus encore.
« La capacité de couper l’ADN où vous voulez a révolutionné les sciences de la vie », a déclaré Pernilla Wittung Stafshede, chimiste biophysique et membre du comité Nobel de chimie, lors de l’annonce du prix. « Les ‘ciseaux génétiques’ ont été découverts il y a seulement huit ans, mais ils ont déjà apporté un grand bénéfice à l’humanité ».
Doudna et Charpentier et leurs collègues ont effectué un travail initial critique pour caractériser le système, mais plusieurs autres chercheurs ont été cités – et reconnus dans d’autres prix très médiatisés – comme des contributeurs clés au développement de CRISPR. Il s’agit notamment de Feng Zhang au Broad Institute du MIT et de Harvard à Cambridge, Massachusetts, de George Church à la Harvard Medical School à Boston, Massachusetts, et du biochimiste Virginijus Siksnys à l’Université de Vilnius en Lituanie (voir » Les nombreux pionniers de CRISPR « ).
Doudna était » vraiment profondément endormie » lorsque son téléphone a sonné et qu’elle a pris un appel d’un journaliste de Nature, qui lui a annoncé la nouvelle. « J’ai grandi dans une petite ville d’Hawaï et je n’aurais jamais, en 100 millions d’années, imaginé que cela se produise », dit Doudna. « Je suis vraiment abasourdi, je suis juste complètement sous le choc. »
« Je connais tellement de merveilleux scientifiques qui ne recevront jamais cela, pour des raisons qui n’ont rien à voir avec le fait qu’ils sont de merveilleux scientifiques », dit Doudna. Je suis vraiment très humble. »
Née d’une bactérie
CRISPR, abréviation de clustered regularly interspaced short palindromic repeats, est un « système immunitaire » microbien que les procaryotes – bactéries et archées – utilisent pour prévenir les infections par des virus appelés phages. A la base, le système CRISPR donne aux procaryotes la capacité de reconnaître des séquences génétiques précises qui correspondent à un phage ou à d’autres envahisseurs et de cibler ces séquences pour les détruire à l’aide d’enzymes spécialisées.
Des travaux antérieurs avaient identifié ces enzymes, connues sous le nom de protéines associées à CRISPR (Cas), dont une appelée Cas9. Mais Charpentier, travaillant d’abord à l’Université de Vienne puis au Centre de recherche microbienne d’Umeå en Suède, a identifié un autre composant clé du système CRISPR, une molécule d’ARN impliquée dans la reconnaissance des séquences de phages, dans la bactérie Streptococcus pyogenes, qui peut causer des maladies chez l’homme.
Charpentier a rapporté la découverte en 2011 et, cette année-là, a établi une collaboration avec Doudna. Dans un article historique paru en 2012 dans Science1, le duo a isolé les composants du système CRISPR-Cas9, les a adaptés pour fonctionner dans le tube à essai et a montré que le système pouvait être programmé pour couper des sites spécifiques dans l’ADN isolé. Leur système programmable d’édition de gènes a inspiré une ruée vers l’or pour d’innombrables applications en médecine, en agriculture et en sciences fondamentales – et les travaux se poursuivent pour affiner et améliorer CRISPR et pour identifier d’autres outils d’édition de gènes.
« Nous espérions pouvoir vraiment traduire cela en une technologie permettant de réécrire le code génétique des cellules et des organismes », explique Martin Jinek, biochimiste à l’Université de Zurich, qui était postdoc dans le laboratoire de Doudna et coauteur principal de l’article pivot de Science. « Ce que nous n’avons pas vraiment apprécié, c’est la rapidité avec laquelle la technologie serait adoptée par d’autres personnes dans le domaine et ensuite poussée vers l’avant. »
Les nombreux pionniers de CRISPR
Il n’y aurait pas de CRISPR sans Francisco Mojica. Le microbiologiste, à l’université d’Alicante en Espagne, a contribué à donner son nom au système. En 1993, Mojica a identifié des séquences d’ADN répétitives particulières dans le génome de l’archéon Haloferax. Il a ensuite montré que des séquences similaires étaient répandues chez les procaryotes et correspondaient au matériel génétique des phages, des virus qui infectent les bactéries.
En 2005, Mojica a émis l’hypothèse que ces séquences faisaient partie d’un système immunitaire microbien. Avec Ruud Jansen, de l’université d’Utrecht aux Pays-Bas, Mojica a trouvé l’acronyme qui lui a valu le prix Nobel : CRISPR, abréviation de « clustered regularly interspaced short palindromic repeats ». Pour ses travaux sur CRISPR, Mojica a partagé en 2017 le prix de médecine du Albany Medical Center, doté de 500 000 dollars, avec Charpentier, Doudna, Feng Zhang et Luciano Marraffini, à l’université Rockefeller de New York.
Doudna et Charpentier n’étaient pas les seuls scientifiques à avoir compris que le système CRISPR pouvait être programmé pour couper d’autres morceaux d’ADN. En 2012 – à peu près au moment où le duo a publié ses expériences montrant que le système CRISPR-Cas9 pouvait couper de l’ADN isolé – une équipe dirigée par le biochimiste Virginijus Šikšnys de l’Université de Vilnius en Lituanie, a montré comment l’enzyme Cas9 pouvait être instruite pour couper des séquences d’ADN prédéfinies. En 2018, Šikšnys a partagé le prix Kavli en nanosciences avec Doudna et Charpentier.
La décision du comité Nobel de ne pas inclure Zhang a été l’une des plus grandes surprises. Le généticien a été communément désigné, avec Charpentier et Doudna, comme le trio le plus susceptible de remporter un prix Nobel pour CRISPR. Dans un article paru début 2013 dans Science, l’équipe de Zhang a modifié le système CRISPR-Cas9 pour effectuer des coupes précises du génome dans des cellules humaines et de souris. L’équipe de Church a décrit des travaux de coupure de l’ADN de cellules humaines à peu près au même moment.
Jin-Soo Kim, ingénieur génome à l’Institut des sciences fondamentales de Daejeon, en Corée du Sud, et l’un des premiers à adapter CRISPR pour l’édition du génome dans une variété de cellules différentes, dit que, bien qu’il soit enthousiasmé par l’annonce du prix Nobel, il a été surpris que le biochimiste Dana Carroll de l’Université de l’Utah à Salt Lake City ait été oublié. Carroll a développé des moyens de déployer d’autres enzymes, appelées nucléases à doigts de zinc, pour modifier les génomes, bien avant l’époque de CRISPR.
Bien que CRISPR soit plus facile à utiliser que les nucléases à doigts de zinc, Kim dit qu’il considère Carroll comme le fondateur du domaine de l’édition du génome. » Il ne fait aucun doute que Doudna et Charpentier méritent la reconnaissance « , dit-il. » Mais sans la démonstration de l’édition du génome via les nucléases à doigts de zinc, peu de gens auraient pu imaginer l’utilisation de CRISPR-Cas9 pour l’édition du génome. «
Course à la commercialisation
En moins d’une décennie, les chercheurs ont utilisé CRISPR-Cas9 pour développer des cultures, des insectes, des modèles génétiques et des thérapies humaines expérimentales modifiés par le génome. Des essais cliniques sont en cours pour utiliser cette technique dans le traitement de la drépanocytose, de la cécité héréditaire et du cancer. Doudna, Charpentier et d’autres dans le domaine, ont lancé une génération de sociétés de biotechnologie visant à développer la technique pour atteindre ces objectifs.
Mais la technologie a également suscité la controverse – en particulier pour ses applications naissantes dans les cellules humaines. En novembre 2018, le biophysicien chinois He Jiankui a annoncé que des jumelles étaient nées d’embryons que lui et ses collègues avaient modifiés à l’aide de CRISPR-Cas9. La nouvelle a suscité un tollé : l’édition d’embryons soulève une foule de problèmes éthiques, sociaux et de sécurité, et de nombreux chercheurs du monde entier ont rapidement condamné le travail de He.
En septembre, un panel international réuni par les principales sociétés scientifiques américaines et britanniques a conclu une nouvelle fois que la technologie n’est pas prête à être utilisée sur des embryons humains destinés à être implantés.
Le travail a également déclenché une bataille féroce de brevets – principalement entre le Broad Institute et l’Université de Californie, Berkeley – qui gronde à ce jour pour savoir qui détient les droits de propriété intellectuelle lucratifs de l’édition du génome CRISPR-Cas9.
Pour autant, Church est d’accord avec la façon dont le prix a été divisé. Bien qu’il soit fier du travail de son laboratoire et de celui de Zhang – qui a adapté le système pour qu’il fonctionne dans les cellules de mammifères, ouvrant la porte à la modélisation et potentiellement au traitement des maladies humaines – Church dit que ce travail pourrait être classé comme de l’ingénierie et de l’invention, plutôt que comme une découverte scientifique. « Je pense que c’est un excellent choix », dit-il.
Il est toujours difficile de distinguer une découverte pour un prix, dit Francis Collins, généticien et chef des Instituts nationaux de la santé américains à Bethesda, dans le Maryland. « Pratiquement rien ne sort de nulle part », dit-il. « Il est difficile, lorsque vous examinez une découverte, de décider qui choisir. »
Mais un aspect unique de l’édition du génome par CRISPR-Cas9 a été la facilité et la polyvalence de la technique, ajoute-t-il. « CRISPR-Cas a rendu cela tellement plus facilement acceptable », dit Collins. « Je ne connais aucun laboratoire de biologie moléculaire qui n’ait pas commencé à travailler avec CRISPR-Cas. »