Gene-Drive : Menace exponentielle sur les écosystèmes ou "les résistances apparaissent, Darwin l'aurait prédit"
Une récente news de Nature (et l'article correspondant ) montrent que les résistances au mécanisme de propagation génétique Gene-Drive apparaissent rapidement.
Il y a quelques temps, deux publications Expériment@l-Tremplins (ici et ici) présentaient le mécanisme Gene-Drive avec ses impressionnants potentiels (prometteurs et inquiétants). Nous y avions suggéré que les mécanismes de l'évolution allaient sans doute agir ici aussi et limiteraient cette progression en chaîne ...
La très grande précision de CRISPR/Cas9 et de son usage dans Gene-Drive sont sa force, mais impliquent des séquences très précises… ce qui les rend vulnérables aux mutations. C'est effectivement ce qu'on observe !
Fig 1: Moustiques femelles adultes modifiées par Gene-Drive pour les rendre stériles. [img]. Source :Kevin Frayer/Getty
Dans la perspective évolutive qui fonde la biologie il n'y pas de quoi être surpris qu'un système aussi puissant - et surtout aussi précis - que Gene-Drive soit limité par les mécanismes de la sélection naturelle :-))
Bref Tremplin vers les mécanismes de Gene-Drive et CRISPR/Cas9
Une expérience en grandeur presque nature révèle des résistances
A Terni en Italie dans le cadre d'un très grand projet de lutte contre le paludisme "Target Malaria" des biologistes ont construit des très grandes (150m3) cages pour des élevages en conditions presque naturelles de moustiques Anopheles gambiae .
Target Malaria ont publié un article : Gene drives: The good, the bad, and the hype dans lequel ils présentent leurs recherches. Selon Callaway, ils ont essayé d'appliquer à certains de ces moustiques trois constructions Gene-Drive qui ciblent trois gènes conférent un phénotype récessif rendant stérile les femelles, puis ont déterminé le taux de transmission dans la population entre 91.4 et 99.6%. C'est évidemment impressionnant...
Mais Callaway, E. (2017) revient sur un aspect qui n'avait pas été mis en évidence à ce moment-là : des résistances apparaissent aussi. "Bien sûr !" disent d'un air narquois les biologistes de l'évolution, nous le verrons plus bas.
La très grande précision de CRISPR/Cas9 et des Gene Drive impliquent des séquences très précises… ils sont donc vulnérables aux mutations !
Comparables à des éléments transposables comme les transposons ou Wolbachia connus depuis longtemps dans notre ADN, les Gene-Drive offrent des perspectives très intéressantes pour la lutte contre les parasites vecteurs de maladies qui sont discutées dans un Review :
Soit le mécanisme de réparation homologue (HDR) introduit des mutations dans la cassette (séquence qui est transférée au chromosome homologue) et le système n'est plus capable de se positionner sur l'ADN, de couper au bon endroit ou de s'insérer.
Il explique qu'une autre source de résistance provient de différences dans l'ADN des moustiques: si la séquence ciblée par le système CRISPR/Cas9 change, elle n'est pas reconnue et ces individus sont insensibles au Gene-Drive. Or une étude sur les génomes de 765 moustiques Anopheles trouvés à travers l'Afrique Miles, A., (2016) a révélé une extrême diversité génétique, ce qui limite fortement les cibles pour les gene-drive potentiels.
Sans le citer explicitement, les résistances mentionnées par Callaway font probablement référence à Hammond, A. (2015) qui dit en effet :
"In those rare progeny that did not contain a CRISPR homing allele, we looked for evidence of repair by nonhomologous end joining (NHEJ), microhomology-mediated end joining (MMEJ)19 or other noncanonical homing events at the three target loci. In a total of 32 offspring derived from a minimum of 7 individuals, we found a total of 13 indel mutations (6 unique, including two examples of a 6-bp deletion that preserved reading frame and could represent a resistant allele), presumably arising from NHEJ or MMEJ repair, and two events from the same parent producing a 195-bp insertion at AGAP007280, most parsimoniously explained by an incomplete homing event that was resolved using homology between the gRNA sequence in the construct and its cognate target in the genome (Supplementary Fig. 4). Consistent with rare incomplete homing events generating a nonfunctional homing allele, we recovered an identical event in a single individual that produced progeny with a normal Mendelian segregation of the transgenic phenotype." Hammond, A. et al. (2015). (Les membres Expériment@l-Tremplins peuvent obtenir ces articles…).
Les spécialistes de l'évolution ne sont pas surpris …
Pour Michael Wade, un généticien de l'évolution à l'Université d'Indiana Bloomington ces constructions n'iront pas loin en termes d'éradiquer des populations : "These things are not going to get too far in terms of eradicating a population".
Tout au plus selon Drury, D. W., et al. (2016). les Gene-Drives pourraient conduire à former des isolats qui résistent à la transmission des séquences modifiées
La crainte de certains militants découlerait d'une posture arrogante surestimant la puissance de l'humain ?
On peut se demander si la crainte de certains militants écolo repose en faite sur surestimation des capacités de l'humain qui serait capable de faire pire que les millions d'années d'évolution. Ce serait une posture arrogante selon le célèbre évolutionniste Stephen Jay Gould :
Des thèmes en classe ?
Qu'ils soient des dangers pour les écosystèmes ou non, les Gene-Drive sont un magnifique sujet pour des débats en classe sur les rapports de la science et la société. Ils peuvent donner lieu à de beaux exercices pour aider à dépasser les modèles naïfs de la dominance mendélienne (ici sous application en classe), ou explorer les mécanismes de transferts horizontaux tels que les transposons et donner une vision de la dynamique de l'ADN...
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Il y a quelques temps, deux publications Expériment@l-Tremplins (ici et ici) présentaient le mécanisme Gene-Drive avec ses impressionnants potentiels (prometteurs et inquiétants). Nous y avions suggéré que les mécanismes de l'évolution allaient sans doute agir ici aussi et limiteraient cette progression en chaîne ...
La très grande précision de CRISPR/Cas9 et de son usage dans Gene-Drive sont sa force, mais impliquent des séquences très précises… ce qui les rend vulnérables aux mutations. C'est effectivement ce qu'on observe !
Fig 1: Moustiques femelles adultes modifiées par Gene-Drive pour les rendre stériles. [img]. Source :Kevin Frayer/Getty
Dans la perspective évolutive qui fonde la biologie il n'y pas de quoi être surpris qu'un système aussi puissant - et surtout aussi précis - que Gene-Drive soit limité par les mécanismes de la sélection naturelle :-))
Bref Tremplin vers les mécanismes de Gene-Drive et CRISPR/Cas9
En bref CRISPR/Cas9 permet de couper de manière très précise ce qui - combiné à un ADN bien choisi avec les séquences de part et d'autre de la coupure - peut conduire à une réparation homologue qui insère un fragment d'ADN à l'endroit voulu. cf un très bonne explication chez New England Biolabs
Fig 2: Mécanismes par lesquels CRISPR/Cas9 peut être employé pour insérer un ADN a un endroit spécifique (a, b) autres usages c. [img]. Source :New England Biolabs
En bref Gene-Drive est une séquence qui se transpose dans l'ADN du chromosome homologue, et se transmet ainsi dans quasi toute la population des descendants, bien plus que selon le modèle Mendélien classique. Cf liens et explication ici
Fig 5 : Le mécanisme de Gene-drive (décrit ici ): A) un plasmide portant le transgène Cas9, un ARN (gRNA) qui cible la séquence d'intérêt et des bras homologues flanquant le site à cliver (HA1 et HA2). B) et C) le mécanisme de réparation homologue dirigée (HDR) insère alors la cassette sur un des chromosomes. D) la cassette Cas9-gRNA sur le chromosome modifié exprime la protéine Cas9 et le gRNA qui cible le site de coupure. Ensuite E) et F), le mécanisme de réparation homologue dirigée (HDR) insère la cassette sur l'autre chromosomes [img] source Gantz, V. M., & Bier, E. (2015).
Une expérience en grandeur presque nature révèle des résistances
Target Malaria ont publié un article : Gene drives: The good, the bad, and the hype dans lequel ils présentent leurs recherches. Selon Callaway, ils ont essayé d'appliquer à certains de ces moustiques trois constructions Gene-Drive qui ciblent trois gènes conférent un phénotype récessif rendant stérile les femelles, puis ont déterminé le taux de transmission dans la population entre 91.4 et 99.6%. C'est évidemment impressionnant...
Mais Callaway, E. (2017) revient sur un aspect qui n'avait pas été mis en évidence à ce moment-là : des résistances apparaissent aussi. "Bien sûr !" disent d'un air narquois les biologistes de l'évolution, nous le verrons plus bas.
La très grande précision de CRISPR/Cas9 et des Gene Drive impliquent des séquences très précises… ils sont donc vulnérables aux mutations !
Comparables à des éléments transposables comme les transposons ou Wolbachia connus depuis longtemps dans notre ADN, les Gene-Drive offrent des perspectives très intéressantes pour la lutte contre les parasites vecteurs de maladies qui sont discutées dans un Review : - Sinkins, S. P., & Gould, F. (2006). Gene drive systems for insect disease vectors. Nature Reviews Genetics, 7(6), 427‑435. https://doi.org/10.1038/nrg1870 (Les membres Expériment@l-Tremplins peuvent obtenir ces articles…).
Soit le mécanisme de réparation homologue (HDR) introduit des mutations dans la cassette (séquence qui est transférée au chromosome homologue) et le système n'est plus capable de se positionner sur l'ADN, de couper au bon endroit ou de s'insérer.
Il explique qu'une autre source de résistance provient de différences dans l'ADN des moustiques: si la séquence ciblée par le système CRISPR/Cas9 change, elle n'est pas reconnue et ces individus sont insensibles au Gene-Drive. Or une étude sur les génomes de 765 moustiques Anopheles trouvés à travers l'Afrique Miles, A., (2016) a révélé une extrême diversité génétique, ce qui limite fortement les cibles pour les gene-drive potentiels.
Sans le citer explicitement, les résistances mentionnées par Callaway font probablement référence à Hammond, A. (2015) qui dit en effet :
"In those rare progeny that did not contain a CRISPR homing allele, we looked for evidence of repair by nonhomologous end joining (NHEJ), microhomology-mediated end joining (MMEJ)19 or other noncanonical homing events at the three target loci. In a total of 32 offspring derived from a minimum of 7 individuals, we found a total of 13 indel mutations (6 unique, including two examples of a 6-bp deletion that preserved reading frame and could represent a resistant allele), presumably arising from NHEJ or MMEJ repair, and two events from the same parent producing a 195-bp insertion at AGAP007280, most parsimoniously explained by an incomplete homing event that was resolved using homology between the gRNA sequence in the construct and its cognate target in the genome (Supplementary Fig. 4). Consistent with rare incomplete homing events generating a nonfunctional homing allele, we recovered an identical event in a single individual that produced progeny with a normal Mendelian segregation of the transgenic phenotype." Hammond, A. et al. (2015). (Les membres Expériment@l-Tremplins peuvent obtenir ces articles…).
Les spécialistes de l'évolution ne sont pas surpris …
Pour Michael Wade, un généticien de l'évolution à l'Université d'Indiana Bloomington ces constructions n'iront pas loin en termes d'éradiquer des populations : "These things are not going to get too far in terms of eradicating a population". Tout au plus selon Drury, D. W., et al. (2016). les Gene-Drives pourraient conduire à former des isolats qui résistent à la transmission des séquences modifiées
La crainte de certains militants découlerait d'une posture arrogante surestimant la puissance de l'humain ?
On peut se demander si la crainte de certains militants écolo repose en faite sur surestimation des capacités de l'humain qui serait capable de faire pire que les millions d'années d'évolution. Ce serait une posture arrogante selon le célèbre évolutionniste Stephen Jay Gould : "La vraie beauté de la nature est son ampleur; elle n'existe pas pour nous, ni par nous, et possède une force d'inertie que tous nos arsenaux nucléaires ne peuvent ébranler (même si ces derniers peuvent aisément détruire nos faibles vies).Dans la même veine Callaway, E. (2017) cite Tony Nolan: le plus grand souci avec les Gene-Drives c'est qu'ils ne marcheront pas : "He says that his greatest worry about gene drives is that they simply won't work."
Cet orgueil démesuré qui nous inquiète tant, et que les écologistes cherchent avant tout à éviter dans leur mouvement […], réapparaît souvent sans qu'on s'en doute (et par conséquent de façon potentiellement dangereuse) dans des prises de position […] fréquemment avancées par les «Verts» :
Malgré toutes nos prouesses mentales et technologiques, je doute que nous puissions altérer l'histoire de la Terre de façon durable à l'échelle [...] des millions d'années." Gould, S. J. (1993)
- Nous vivons sur une planète fragile, promise à la ruine par la malfaisance humaine.
- Les humains doivent être conscients de cette fragilité et, par suite, prendre en charge la gestion de cette planète pour la sauver. […]
Des thèmes en classe ?
Qu'ils soient des dangers pour les écosystèmes ou non, les Gene-Drive sont un magnifique sujet pour des débats en classe sur les rapports de la science et la société. Ils peuvent donner lieu à de beaux exercices pour aider à dépasser les modèles naïfs de la dominance mendélienne (ici sous application en classe), ou explorer les mécanismes de transferts horizontaux tels que les transposons et donner une vision de la dynamique de l'ADN...
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- Fast-spreading genetic mutations pose ecological risk
- Gene editing can drive science to openness
Sources (Les membres Expériment@l-Tremplins peuvent obtenir ces articles…).
- Callaway, E. (2017). Gene drives thwarted by emergence of resistant organisms. Nature News, 542(7639), 15. https://doi.org/10.1038/542015a
- Drury, D. W., Siniard, D. J., Zentner, G. E., & Wade, M. J. (2016). CRISPR/Cas9 gene drives in genetically variable and non-randomly mating wild populations. bioRxiv, 071670. https://doi.org/10.1101/071670
- Gould, S. J. (1993). La foire aux dinosaures. Paris, Seuil.
- Hammond, A., Galizi, R., Kyrou, K., Simoni, A., Siniscalchi, C., Katsanos, D., … Nolan, T. (2015). A CRISPR-Cas9 gene drive system targeting female reproduction in the malaria mosquito vector Anopheles gambiae. Nature Biotechnology, 34(1), 78‑83. https://doi.org/10.1038/nbt.3439
- Miles, A., Harding, N. J., Botta, G., Clarkson, C., Antao, T., Kozak, K., … Kwiatkowski, D. (2016). Natural diversity of the malaria vector Anopheles gambiae. bioRxiv, 096289. https://doi.org/10.1101/096289
- Sinkins, S. P., & Gould, F. (2006). Gene drive systems for insect disease vectors. Nature Reviews Genetics, 7(6), 427‑435. https://doi.org/10.1038/nrg1870
- Lombard F. (2016) Un système de modification génique très ciblé, CRISPR/Cas9, bouleverse la recherche, transforme l'étude de l'évolution, relance la thérapie génique, pourrait bouleverser les écosystèmes…Bio-Tremplins (2016)
- Lombard, F. (2015) CRISPR, ciseau à ADN magique et précis ou menace sur les écosystèmes ? Bio-Tremplins (2015)
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