From the smallest single-celled organism to the largest creatures on earth, every living thing is defined by its genes. The DNA contained in our genes acts like an instruction manual for our cells. Four building blocks called bases are strung together in precise sequences, which tell the cell how to behave and form the basis for our every trait. But with recent advancements in gene editing tools, scientists can change an organism’s fundamental features in record time. They can engineer drought-resistant crops and create apples that don’t brown. They might even prevent the spread of infectious outbreaks and develop cures for genetic diseases. CRISPR is the fastest, easiest, and cheapest of the gene editing tools responsible for this new wave of science. But where did this medical marvel come from? How does it work? And what can it do?
Du plus petit organisme unicellulaire aux plus grandes créatures sur Terre, chaque être vivant est défini par ses gènes. L'ADN contenu dans nos gènes fonctionne comme un guide pour nos cellules. Quatre blocs de construction appelés bases sont enchaînés selon une séquence précise, qui dicte à la cellule comment agir et former la base de chacun de nos traits. Mais avec les récents progrès en édition génomique, les scientifiques peuvent modifier les traits d'un organisme en peu de temps. Ils peuvent inventer des cultures résistantes à la sécheresse et créer des pommes qui ne brunissent pas. Ils pourraient prévenir la propagation d'épidémies infectieuses et mettre au point des remèdes contre des maladies génétiques. CRISPR est l'outil d'édition de gènes le moins cher et le plus performant responsable de cette nouvelle science. Mais d'où vient cette merveille médicale ? Comment ça marche ? Et qu'est-elle capable de faire ?
Surprisingly, CRISPR is actually a natural process that’s long functioned as a bacterial immune system. Originally found defending single-celled bacteria and archaea against invading viruses, naturally occurring CRISPR uses two main components. The first are short snippets of repetitive DNA sequences called “clustered regularly interspaced short palindromic repeats,” or simply, CRISPRs. The second are Cas, or “CRISPR-associated” proteins which chop up DNA like molecular scissors. When a virus invades a bacterium, Cas proteins cut out a segment of the viral DNA to stitch into the bacterium’s CRISPR region, capturing a chemical snapshot of the infection. Those viral codes are then copied into short pieces of RNA. This molecule plays many roles in our cells, but in the case of CRISPR, RNA binds to a special protein called Cas9. The resulting complexes act like scouts, latching onto free-floating genetic material and searching for a match to the virus. If the virus invades again, the scout complex recognizes it immediately, and Cas9 swiftly destroys the viral DNA.
Étonnamment, CRISPR est en fait un processus naturel qui a longtemps fonctionné comme un système immunitaire bactérien. Découvert à l'origine défendant les bactéries unicellulaires et archées contre les virus envahissants, le CRISPR naturel utilise deux composants principaux. Les premiers sont de courts fragments de séquences d'ADN répétitives nommées « courtes répétitions palindromiques groupées et régulièrement espacées » ou simplement CRISPR. Les secondes sont les protéines Cas ou protéines « CRISPR-associated » qui coupent l'ADN tels des ciseaux moléculaires. Quand un virus attaque une bactérie, les protéines Cas découpent un segment de l'ADN viral pour se lier à la région CRISPR de la bactérie, capturant un instantané chimique de l'infection. Ces codes viraux sont ensuite copiés en petits morceaux d'ARN. Cette molécule exerce de nombreux rôles dans nos cellules, mais dans le cas de CRISPR, l'ARN se lie à une protéine spéciale appelée Cas9. Les complexes qui en résultent agissent comme des éclaireurs, s'accrochant au matériel génétique flottant et cherchant une correspondance avec le virus. Si le virus réapparaît, le complexe le reconnaît immédiatement et Cas9 détruit rapidement l'ADN viral.
Lots of bacteria have this type of defense mechanism. But in 2012, scientists figured out how to hijack CRISPR to target not just viral DNA, but any DNA in almost any organism. With the right tools, this viral immune system becomes a precise gene-editing tool, which can alter DNA and change specific genes almost as easily as fixing a typo.
Beaucoup de bactéries possèdent ce type de mécanisme de défense. Mais en 2012, les scientifiques ont trouvé comment modifier le CRISPR pour cibler non seulement l'ADN viral, mais également l'ADN présent dans presque tous les organismes. Avec les bons outils ce système immunitaire viral se transforme en un outil d'édition de gènes précis, qui peut modifier l'ADN et des gènes spécifiques presque aussi facilement que corriger une faute de frappe.
Here’s how it works in the lab: scientists design a “guide” RNA to match the gene they want to edit, and attach it to Cas9. Like the viral RNA in the CRISPR immune system, the guide RNA directs Cas9 to the target gene, and the protein’s molecular scissors snip the DNA. This is the key to CRISPR’s power: just by injecting Cas9 bound to a short piece of custom guide RNA scientists can edit practically any gene in the genome.
Au labo, cela fonctionne comme suit : les scientifiques créent un ARN « guide » qui correspond au gène à éditer et le fixent sur Cas9. Comme l'ARN viral du système immunitaire CRISPR, l'ARN guide dirige Cas9 vers le gène cible et les ciseaux moléculaires de la protéine coupent l'ADN. C'est la clé du pouvoir du CRISPR : en injectant simplement Cas9, lié à un court morceau d'ARN guide, les scientifiques peuvent modifier quasiment n'importe quel gène du génome.
Once the DNA is cut, the cell will try to repair it. Typically, proteins called nucleases trim the broken ends and join them back together. But this type of repair process, called nonhomologous end joining, is prone to mistakes and can lead to extra or missing bases. The resulting gene is often unusable and turned off. However, if scientists add a separate sequence of template DNA to their CRISPR cocktail, cellular proteins can perform a different DNA repair process, called homology directed repair. This template DNA is used as a blueprint to guide the rebuilding process, repairing a defective gene or even inserting a completely new one.
Une fois l'ADN coupé, la cellule va tenter de le réparer. Typiquement, des protéines appelées nucléases coupent les extrémités cassées et les relient ensemble. Mais ce type de réparation, appelée jonction d'extrémité non homologue est sujet à des erreurs et peut conduire à des bases supplémentaires ou manquantes. Le gène qui en résulte est souvent inutilisable et désactivé. Cependant, si les scientifiques ajoutent une séquence distincte d'ADN à leur assemblage CRISPR, les protéines cellulaires peuvent réaliser un autre processus de réparation de l'ADN appelé réparation par recombinaison homologue. Ce modèle d'ADN sert de modèle pour guider le processus de reconstruction la réparation d'un gène défectueux ou même l'insertion d'un tout nouveau gène.
The ability to fix DNA errors means that CRISPR could potentially create new treatments for diseases linked to specific genetic errors, like cystic fibrosis or sickle cell anemia. And since it’s not limited to humans, the applications are almost endless. CRISPR could create plants that yield larger fruit, mosquitoes that can’t transmit malaria, or even reprogram drug-resistant cancer cells. It’s also a powerful tool for studying the genome, allowing scientists to watch what happens when genes are turned off or changed within an organism.
La capacité à corriger les erreurs d'ADN signifie que CRISPR pourrait créer de nouveaux traitements pour des maladies liées à des erreurs génétiques comme la mucoviscidose ou la drépanocytose. Puisque ce n'est pas limité aux humains, les applications sont presque infinies. Le CRISPR pourrait créer des plantes qui produisent des fruits plus gros, des moustiques qui ne transmettent pas le paludisme ou même reprogrammer des cellules cancéreuses résistantes aux médicaments. C'est également un puissant outil pour étudier le génome, qui permet aux scientifiques d'observer les gènes rendus inactifs ou modifiés au sein d'un organisme.
CRISPR isn’t perfect yet. It doesn’t always make just the intended changes, and since it’s difficult to predict the long-term implications of a CRISPR edit, this technology raises big ethical questions. It’s up to us to decide the best course forward as CRISPR leaves single-celled organisms behind and heads into labs, farms, hospitals, and organisms around the world.
CRISPR est loin d'être parfait. Il n'apporte pas toujours les modifications souhaitées, et comme il est ardu de prédire les effets à long terme d'une édition CRISPR, cette technologie soulève de grandes questions éthiques. C'est à nous de décider de la meilleure voie à suivre au moment où CRISPR laisse derrière lui des organismes unicellulaires et se propage dans les laboratoires, les fermes, les hôpitaux et les organismes du monde entier.