Histoire de la génétique - de 1980 à aujourd'hui

En 1981, les Américains Richard Palmiter et Ralph Brinster inventent une méthode de micro-injection qui permet de modifier le matériel génétique d'un animal: les ovules fécondés de l'animal sont placés sur une lamelle de verre. On injecte ensuite sous le microscope plusieurs copies du gène étranger dans l'œuf, à l'aide d'une seringue en verre ultrafine. Les œufs sont transférés dans l'utérus d'une mère porteuse qui portera les embryons jusqu'à leur naissance. Dans 10 à 20% des cas, le gène étranger est intégré avec succès et de manière stable dans l'ADN des œufs. Les jeunes animaux qui en proviennent portent le gène étranger dans toutes les cellules du corps, donc également dans leurs cellules germinales. Ainsi les caractéristiques nouvellement acquises sont transmises aux générations suivantes. Palmiter et Brinster ont transféré de cette manière le gène d'une hormone de croissance d'un rat sur des souris. Ces souris génétiquement modifiées (transgéniques) ont grandi très rapidement et ont atteint presque deux fois la taille de leurs congénères normaux.

En 1982, l'Office de la Santé publique américain, la FDA, autorise le premier médicament produit à partir des méthodes du génie génétique: l'insuline humaine. L'insuline est une hormone produite par des cellules spécifiques du pancréas d'un être humain en bonne santé. Elle veille à ce que le sang ne contienne pas trop de sucre. Certaines personnes ne produisent pas assez d'insuline et ont un taux de sucre trop élevé dans le sang. Cette maladie s'appelle le diabète. Les personnes qui en sont gravement atteintes doivent s'injecter quotidiennement de l'insuline pour pouvoir vivre en bonne santé. Autrefois, l'insuline était extraite directement du pancréas du bœuf ou du porc. Depuis les années 80, on la produit en majorité à l'aide du génie génétique. L'entreprise biotechnologique américaine «Genentech» a été la première à réussir sa production: en transférant le gène de l'insuline humaine sur la bactérie Escherichia coli.

Kary B. Mullis (USA) développe une méthode qui permet de trouver une courte séquence déterminée sur une molécule d'ADN longue de plusieurs centaines de milliers d'éléments et de reproduire cette séquence plusieurs millions de fois. Regarde comment fonctionne cette réaction en chaîne de la polymérase (PCR) dans le chapitre «Le génie génétique».

L'Américaine Mary-Dell Chilton et les deux Belges Jeff Schell et Marc van Montagu ont été les premiers à réussir en 1983 la modification génétique d'une plante de tabac. Ils ont utilisé la bactérie Agrobacterium tumefaciens pour le transfert génétique. Cette bactérie possède un petit anneau d'ADN (plasmide) par lequel elle introduit une séquence spécifique (ADN-T) dans une cellule végétale affaiblie aussitôt qu'elle entre en contact avec elle. Les ingénieurs en génétique se sont servis de cette propriété: ils ont découpé une partie d'ADN-T du plasmide et l'ont remplacé par le gène étranger. Au contact des cellules de tabac, la bactérie introduit le gène étranger. De nouvelles plantes de tabac se développent à partir de ces cellules de tabac génétiquement modifiées. Celles-ci contiennent le nouveau gène dans leurs cellules et produisent la protéine correspondante. Comme chez la souris transgénique (voir sous 1981), les plantes issues des générations suivantes héritent de ce gène.

L'Américain Alec Jeffreys développe en 1984 «l'empreinte génétique». Cette méthode est par exemple utilisée en criminologie: il est possible d'extraire de l'ADN à partir du sang, des cheveux, de la salive, de la peau ou du sperme et de relever une empreinte génétique. Si cette dernière est identique à celle d'une personne suspecte, le crime est souvent résolu. L'empreinte génétique est aussi utilisée pour élucider des paternités controversées.

La surface des agents pathogènes contient des protéines contre lesquelles le système immunitaire de la personne infectée forme des anticorps. Il est possible de transférer les gènes correspondants sur des bactéries ou des cellules supérieures par génie génétique en sorte qu'ils produisent des protéines de surface. On peut ensuite utiliser ces dernières comme vaccin: le système immunitaire de la personne vaccinée forme des anticorps contre ces parties inoffensives de l'agent pathogène que sont les protéines de surface. Si ensuite la personne vaccinée est infectée par l'agent pathogène, son système immunitaire sera armé au mieux et empêchera l'apparition de la maladie. Le premier vaccin génétiquement conçu qu'on a autorisé immunise contre les virus de l'hépatite B et ainsi contre la jaunisse, qui peut dans des cas graves conduire à une cirrhose ou à un cancer du foie.

Avant d'arriver à un essai en plein champ avec des plantes génétiquement modifiées, on a passé des années à une vérification intensive en laboratoire et en serre. Une fois qu'une plante a réussi tous les tests, on procède à la plantation en plein air, d'abord sur de petites parcelles, ensuite dans des champs plus grands. C'est seulement alors qu'on peut montrer si une propriété nouvellement apportée à la plante, comme par exemple la résistance aux champignons, se maintient dans les conditions complexes de la nature. En 1986, on a procédé aux États-Unis aux premiers essais en plein champ avec des plantes transgéniques résistant aux insectes, aux bactéries et aux virus. Entre-temps, on a mené dans le monde entier plus de 25'000 essais en plein champ avec des plantes transgéniques.

La première tentative d'une thérapie génique a été réalisée en septembre 1990 par des médecins américains autour de French Anderson sur une fillette de quatre ans, Ashanti DaSilva. L'enfant souffrait d'une maladie héréditaire immunodéficitaire grave, le SCID. Un seul gène défectueux est responsable de la maladie. Les médecins ont prélevé du sang de l'enfant et ont approvisionné les globules blancs avec une version saine du gène. Ensuite ils ont remis à l'enfant les cellules génétiquement modifiées à l'aide d'une transfusion. L'état de Ashanti s'est alors amélioré mais personne ne pouvait dire précisément si cette amélioration était due à la génothérapie ou aux médicaments qu'on avait donnés en plus à l'enfant.

L'entreprise écossaise PPL Therapeutics a réussi en 1991 l'élevage d'une brebis génétiquement modifiée capable de synthétiser dans son lait une quantité relativement grande de protéines alpha 1 anti-trypsine (AAT). L' AAT est encore produite jusqu'à aujourd'hui avec des méthodes traditionnelles et est utilisée pour traiter les maladies pulmonaires graves. Il est établi que 2000 brebis transgéniques suffiraient à couvrir le besoin mondial en AAT. Cette manière de produire des médicaments est appelée «gene pharming». Cependant, il n'y a encore aucun médicament de cette sorte sur le marché.

Grâce au génie génétique, on peut transférer des gènes individuels sur l'ADN des plantes et les munir par là d'une nouvelle propriété, comme par exemple la résistance à un agent pathogène. Le contraire est également vrai: on peut éliminer ou affaiblir une propriété en enlevant ou en désactivant un gène. C'est précisément cela qu'on a fait avec la tomate FlavrSavr, le premier aliment génétiquement modifié qui est venu sur le marché. Par l'inactivation d'un gène particulier, on a supprimé la production de l'enzyme principalement responsable du ramollissement des fruits et des légumes. Ainsi cette tomate se conserve plus longtemps que les tomates traditionnelles.

Même si la levure est un unicellulaire, elle appartient, tout comme l'homme, aux êtres vivants dont les cellules contiennent un noyau cellulaire (eucaryotes), ce qui la rend intéressante pour la recherche. La levure de boulanger (Saccharomyces cerevisiae) est le premier eucaryote dont le génome a été déchiffré (plus de 12 millions d'éléments constitutifs). Le succès de ce travail, achevé en 1996, a été rendu possible grâce à la collaboration internationale. Auparavant, on avait réussi à déchiffrer des génomes essentiellement plus petits; en 1983, celui du premier virus (bactériophage Lambda), et en 1995 seulement, celui de la première bactérie (Haemophilus influenza).

L'équipe de chercheurs dirigée par Jeff Isner à Boston réussit en 1998 la première thérapie génique. Plusieurs patients qui souffrent d'une terrible gangrène (décomposition tissulaire provenant d'une mauvaise irrigation sanguine) ont pu éviter l'amputation de leurs pieds grâce au transfert d'un gène qui stimule la croissance des vaisseaux sanguins.

Le premier génome d'un animal, celui du nématode Caeneorhabditis elegans, a été complètement déchiffré en 1998. Deux équipes de chercheurs des États-Unis et d'Angleterre ont travaillé plus de huit ans au décodage des six chromosomes contenant plus de 97 millions d'éléments constitutifs.

Le premier décodage du génome d'une plante dans le monde, celui de l'arabette avec 120 millions d'éléments constitutifs sur 5 chromosomes, s'est achevé en 2000. Des chercheurs de l'Union Européenne, des Etats-Unis et du Japon ont collaboré à ce travail.

En février 2001, les chercheurs du projet international «Human Genome Project» et de l'entreprise américaine «Celera Genomics» publient la première carte détaillée du génome humain dans les revues scientifiques «Nature» et «Science». Il semble que l'homme ne possède que 30 000 à 40 000 gènes et non pas jusqu'à 100 000 comme initialement supposé. Mais le projet est loin d'être achevé. L'autre défi majeur consiste à comprendre les fonctions des gènes particuliers et à voir comment ils interagissent entre eux. Les gènes défectueux qui provoquent des maladies sont particulièrement intéressants.

Des chercheurs ont découvert que de petits fragments d'ARN peuvent s'accrocher à des gènes transcrits. En résulte une molécule d'ARN à deux brins («bicaténaire»), qui sera détruite par des enzymes spécialisés dans l'élimination de l'ARN bicaténaire. La transcription du gène est détruite et la protéine ne peut pas être fabriquée. Les découvertes relatives au mécanisme de l'interférence ARN sont célébrées comme la percée de l'année 2002 dans le domaine de la biologie moléculaire.

Depuis toujours, les porcs nous fournissent en viande. Désormais, la xénotransplantation prévoit d'en faire des donneurs d'organe. En 2002, le génie génétique permet de modifier plusieurs protéines porcines, ce qui réduit le danger de rejet par l'organisme d'un organe greffé.

En fonction de son code génétique, l'être humain possède des protéines qui éliminent les médicaments plus ou moins rapidement. En conséquence, la même dose administrée déploie un effet imperceptible chez certains ou trop puissant chez d'autres. Une goutte de sang permet à la puce à ADN de révéler quelles variétés de protéines une personne possède. Grâce à cette information, le médecin sait si un patient peut métaboliser un médicament vite ou lentement, de sorte qu'il lui prescrira la dose appropriée.

Lors de sa conception, Elodie a été choisie en fonction de critères génétiques: ses tissus sont compatibles avec ceux de son grand frère. Elle le sauvera d'une maladie mortelle en lui faisant un don de moelle osseuse. La conception d'Elodie a cependant due avoir lieu en Belgique car, en Suisse, cette procédure est de nos jours interdite par la loi.

L'arsenic est toxique. Un détecteur simple, muni de bactéries génétiquement modifiées, renseigne sur la contamination par l'arsenic de l'eau destinée à la consommation. Le puits commun contient souvent une eau de meilleure qualité, c'est pourquoi ce capteur biologique est très précieux pour les pays en développement.

Contrairement au génome (l'ensemble des gènes d'un organisme), caractérisé par sa stabilité, le protéome (toutes les protéines d'un organisme) est très dynamique. Par exemple: une chenille et le papillon qui en résulte possèdent le même génome, tandis que leurs protéomes diffèrent énormément. Un gène seul peut être à l'origine de protéines différentes par le seul fait de modifications intervenues dans l'ordre des lettres au niveau de l'ARN. Le protéome est donc beaucoup plus grand que le génome et il évolue en fonction du stade de développement.

En octobre 2007 Martin Evans, Mario Capecchi et Oliver Smithies se sont vu attribuer le Prix Nobel de médecine. Martin Evans avait découvert comment isoler des cellules souches embryonnaires de souris. Ses deux collègues avaient découvert comment cibler (en anglais knock out) un gène dans les cellules souches de manière à ce que la protéine correspondante ne soit plus produite. Evans eut l'idée d'injecter des cellules souches génétiquement modifiées dans de jeunes embryons de souris. Lorsque ces souris eurent atteint l'âge adulte, une partie de leurs tissus était constituée de cellules modifiées génétiquement, parfois même les ovules et les spermatozoïdes. Lorsque ces animaux se reproduisaient, chaque cellule des petits se révélait génétiquement modifiée. Si ces souris knock-out étaient soudain atteintes du cancer, les chercheurs pouvaient en conclure que le gène rendu silencieux avait pour mission d'empêcher le développement d'un cancer.

En 2008, des chercheurs ont découvert le gène NDM-1 exprimé par des bactéries qui avaient infecté un patient suédois lors de son séjour en Inde. Le gène NDM-1 confère aux bactéries une résistance contre une certaine classe d'antibiotiques. Ces médicaments avaient été introduits en grande quantité en Inde afin de combattre d'importantes infections bactériennes. Les bactéries responsables des infections avaient alors, à l'aide de transferts de plasmides, acquis le gène de résistance NDM-1 à partir de bactéries inoffensives se trouvant dans l'intestin humain et sont ainsi devenues résistantes à leur tour. En ce moment, les souches dangereuses sont localisées principalement en Inde et au Pakistan. En Europe, on ne les trouve que rarement.

Dans le but d'identifier les causes génétiques de la schizophrénie, une équipe de chercheurs américaine a analysé le génome de 8'000 patients atteints de schizophrénie et de 19'000 personnes saines. Les chercheurs ont ainsi pu démontré que la schizophrénie possède des origines génétiques. Ils ont détecté des modifications particulièrement importantes sur le chromosome 6. C'est là que se trouvent les différences génétiques entre personnes atteinte de la maladie et personnes saines. Certains de ces gènes jouent un rôle important au niveau du système immunitaire. Grâce à ces résultats, les chercheurs ont pu établir pour la première fois un corrélation entre le système immunitaire et la schizophrénie. Auparavant, on se doutait seulement que, chez des personnes prédisposées à la schizophrénie, le fait d'avoir souffert d'importantes infections étant jeune enfant pouvait déclencher le développement de la maladie.

En Mai 2010, un chercheur américain du nom de Craig Venter a impressionné le monde entier en produisant le premier être vivant au génome complètement artificiel. Ce chercheur et son équipe ont reconstitué en laboratoire la totalité du génome d'une bactérie de l'intestin appelée Mycoplasma mycoides, ceci en recopiant le génome de cette bactérie lettre après lettre. Le génome artificiel a ensuite été transféré dans une cellule bactérienne receveuse. Afin que ce génome soit marqué comme artificiel, les chercheurs y ont également codé leurs noms et une adresse internet. La personne qui arrive à déchiffrer le code peut leur envoyer un email.

Suite au séquençage complet du génome humain achevé en 2001, la fonction de plus de 90 % des séquences n'avait pas encore pu être clarifiée. Les chercheurs avaient alors pu découvrir qu'environ 3 % des séquences correspondent à des gènes fonctionnels, c'est-à-dire des gènes porteurs de plans de construction de protéines. Le reste de l'ADN a été qualifié en langage courant par la science de «Junk-DNA» (ADN-poubelle). Un consortium international composé de plus de 440 scientifiques provenant de 32 laboratoires répartis à travers le monde s'est alors lancé dans la résolution de l'énigme de l'ADN-poubelle. Ce projet a reçu pour nom ENCODE (The Encyclopedia of DNA Elements). En septembre 2012, les membres de l'équipe de ENCODE ont publié leurs premiers résultats: 80 % des régions de l'ADN jusqu'à présent inconnues possèdent une fonction biochimique. Une importante partie de cet ADN joue un rôle déterminant dans la régulation de l'activité des gènes. Ceci contribue à expliquer comment il est possible qu'une cellule hépatique ou une cellule nerveuse puisse se développer à partir d'une même cellule précurseur. La différence entre les deux types cellulaires n'est pas contenue dans l'information génétique elle-même mais dans la régulation de celle-ci. Cette régulation repose sur la présence de séquences régulatrices propres aux facteurs de transcription ainsi que sur la génération de diverses copies d'ARN. Les mécanismes de régulation déterminent si, quand et en quelle quantité, une protéine est produite. Les connaissances acquises par le biais du projet ENCODE expliquent pourquoi des mutations qui apparaissent dans des régions du génome jusqu'à présent considérées comme non fonctionnelles sont cependant associées à diverses maladies.

Les bactéries se défendent face aux virus au moyen d’un système spécial appelé CRISPR-Cas. En 2012, Jennifer A. Doudna et Emmanuelle Charpentier découvrent qu’il est possible d’utiliser ce système pour modifier des gènes de manière ciblée. L’enzyme Cas9 est guidée par un court brin d’ARN vers une position précise sur l’ADN et le sectionne à cet endroit. Il est ainsi possible de détruire des gènes ou d’introduire des nouvelles séquences. Pour les chercheurs, le CRISPR-Cas est très facile à utiliser et peu coûteux. Ce système permet par exemple de créer des souris transgéniques en quelques semaines – auparavant, cela pouvait durer jusqu’à deux ans. En 2014, Daniel Anderson et son équipe ont réussi à corriger une mutation pathogène chez des souris grâce à cette méthode. De nombreux chercheurs souhaitent toutefois la création d’une régulation claire afin d’éviter toute utilisation abusive du système.