Forçage génétique - Gene drive

Forçage génétique - Gene drive

Gene Drive - Forçage génétique

Qu'est-ce le forçage génétique ?

Le forçage génétique est une application spécifique des nouvelles méthodes de génie génétique. Il s'agit d'une réaction génétique en chaîne qui force la dissémination de gènes modifiés artificiellement en laboratoire dans des populations d'organismes vivant dans la nature. La dissémination dans l'environnement de quelques plantes ou animaux forcés génétiquement suffit à propager les gènes artificiels dans une population entière.

Quels domaines d'application ?

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Les chercheurs espèrent utiliser cette technologie pour contrôler génétiquement des organismes sauvages. Les applications du forçage génétique sont conçues en majorité pour exterminer des populations de ravageurs des cultures plutôt que pour assurer la survie d'une espèce - alors que de telles applications sont également concevables avec cette technologie.

Les discussions actuelles ne portent que sur deux applications potentielles : la diminution du nombre d'insectes porteurs de maladies humaines et la protection d'espèces indigènes menacées par des espèces envahissantes agressives. Dans les deux cas, le forçage génétique est présenté comme une approche plus durable et plus sûre pour remplacer les pesticides nocifs et les appâts toxiques. Mais les applications commerciales du forçage génétique dans l'agriculture prévoient d’utiliser cette technologie en complément aux pesticides pour exterminer de nombreux ravageurs agricoles et vaincre la résistance aux herbicides dans des mauvaises herbes courantes. Le forçage génétique est également considéré pour la mise au point d'armes biologiques, un sujet souvent tabou. Jusqu'à présent, les applications du forçage génétique n'ont été testés qu'en laboratoire.

Quels problèmes ?

Contrairement à d'autres manipulations génétiques, où la propagation des caractères artificiellement ajoutés est évitée et indésirable, le forçage génétique a été conçu pour être invasif et irréversible. La mise en circulation de quelques plantes ou animaux dotés d'un gene drive produit artificiellement suffit à déclencher une réaction en chaîne au terme de laquelle tous les membres d'une population portent dans leur génome le trait issu de ce drive. Une fois cette technologie libérée dans l'environnement, il est presque impossible de contrôler ou d'inverser son impact sur l'écosystème. De plus, l'utilisation à grande échelle de cette technologie n'exclut pas une transmission à d'autres espèces sauvages apparentées et représente une menace importante pour la biodiversité avec des effets négatifs considérables sur la santé humaine et environnementale. L'utilisation de cette technologie comme arme biologique représente une menace géopolitique importante. Le forçage génétique nécessite des lignes directrices de recherche qui encouragent une utilisation éthique et responsable. En l'absence d'une réglementation stricte, les organisations nationales et internationales appellent même à un moratoire mondial sur l'utilisation du forçage génétique.

CRISPR/Cas, un élément clé

La technique du forçage génétique consiste à introduire dans le génome d'un organisme une cassette d'ADN qui contient des gènes artificiels choisis par les chercheurs et une boîte d’outils moléculaires, dont les ciseaux moléculaires CRISPR/Cas. Au départ, il faut donc créer un organisme génétiquement modifié, porteur d'une cassette de forçage génétique, puis relâcher cet organisme dans la nature.

C'est cette plante ou cet insecte modifié génétiquement qui se croisera avec des individus sauvages et qui disséminera la cassette de forçage génétique. Et ce sont les ciseaux moléculaires CRISPR/Cas, contenus sur la cassette de forçage génétique, qui permettront la dissémination des gènes artificiels dans les descendants de l'individu porteur. En effet, les ciseaux génétiques CRISPR/Cas9 servent à reconnaître une séquence spécifique du génome et à couper l'ADN à cet endroit précis. À l'endroit de la coupure, les mécanismes naturels de réparation de l'ADN permettent aux gènes artificiels de se copier dans le génome ou de remplacer la version naturelle du gène qui leur ressemblent.

Dans les organismes à reproduction sexuée, chaque descendant contient une copie des chromosomes du père et une copie des chromosomes da la mère. Dans le processus de forçage génétique, on peut dire, en simplifiant, que si le père est porteur de la cassette de forçage génétique, les ciseaux moléculaires CRISPR/Cas permettent aux gènes artificiels de se recopier depuis les chromosomes du père sur les chromosomes de la mère en éliminant toute séquence d'ADN qui leur ressemblent. Ainsi, à chaque nouvelle génération, le génome des descendants du porteur de la cassette de forçage génétique est modifié. Les règles de l'hérédité naturelle dans les organismes à reproduction sexuée sont contournées et la cassette de forçage génétique se propage de génération en génération, éliminant toute séquence d'ADN qui lui ressemble.

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Légende : Les gènes sont transmis à tous les descendants. Normalement, chez la progéniture de ces mouches à fruits, la modification génétique (en vert) ne se situerait que sur le chromosome transmis par la mère. Toutefois, le mécanisme de copie intégré (qui est transmis avec la modification génétique) garantit que cette variante génétique est également copiée dans le chromosome transmis par le père. À la fin du processus, tous les descendants de la paire de mouches à fruits sont homozygotes pour le gène ajouté artificiellement : cela signifie qu'ils portent la même copie du gène sur les deux chromosomes. Comme ce processus se répète à chaque accouplement, après quelques générations, tous les descendants du pedigree sont porteurs de la modification génétique (tous les descendants sont verts).

Conditions relatives à l'application du forçage génétique

Le forçage génétique ne peut se propager avec succès que dans des organismes qui répondent à deux exigences importantes. D'une part, les organismes cibles doivent se reproduire sexuellement afin de permettre la propagation du système de forçage génétique à la descendance de congénères non modifiés. D'autre part, les individus se reproduisent rapidement et le temps entre les générations est court afin que le caractère ajouté artificiellement puisse se répandre rapidement dans toute la population. Les insectes et les rongeurs sont donc très exposés à des manipulations par forçage génétique. L'application du forçage génétique à des plantes à cycle de vie court est peu réaliste car le génome de la plante utilise des mécanismes de réparation de l'ADN qui rendent difficile la transmission de la cassette de forçage génétique (voir "Résistance" ci-dessous).

En outre, certains organismes cibles développent une résistance au forçage génétique. Le mécanisme de forçage génétique, initié par le système CRISPR/Cas, est favorisé par un système de réparation de l'ADN par recombinaison homologue. Certains organismes utilisent d'autres mécanismes de réparation de l'ADN. Ces systèmes de réparation rendent la cassette de forçage illisible ou inactive et bloquent sa propagation de génération en génération.

 À peine un an après l’invention du forçage génétique CRISPR, les chercheurs travaillant sur des moustiques édités génétiquement ont également été témoins de l’émergence de résistances au forçage génétique.

Les différents types de forçage génétique

Différents types de cassette de forçage génétique ("gene drive") peuvent être construites selon l'effet théorique souhaité.

Les cassettes de forçage génétique à effet global peuvent être utilisées pour modifier une population (modification/modification/conversion drives) et même la détruire (suppression drives). Ces cassettes de forçage génétique sont conçues de telle sorte que, à l'instar d'une réaction en chaîne inarrêtable, elles se transmettent à l'infini dans la population jusqu'à ce que tous les individus soient modifiés génétiquement, ou jusqu'à ce que la population s'effondre. Ainsi, par exemple, un gène qui confère une résistance à une maladie particulière ou limite la capacité de reproduction de l'espèce peut être disséminé dans toute la population en quelques générations - jusqu'à ce qu'il ne reste plus un seul individu non modifié. Ce type de forçage génétique étant inarrêtable et donc incontrôlable, il peut avoir de graves conséquences.

Diverses techniques sont utilisées pour ralentir et limiter l'effet de ce type de cassettes :

Les Reversal Drives visent bloquer la propagation de la première cassette de forçage génétique par l'introduction d'une deuxième cassette. Un tel mécanisme est peu susceptible de fonctionner de manière fiable en conditions environnementales.

Dans les Split Drives, la cassette de forçage génétique est séparée en deux. Par exemple, une partie du système CRISPR/Cas est localisé sur une première séquence d'ADN. Le reste du système CRISPR/Cas et les gènes artificiels sont situés sur une deuxième séquence. Alors que la première partie de la cassette est incorporé dans l'ADN de l'organisme cible. L'autre partie de la cassette est incorporée dans l'ADN d'un virus qui utilise cet organisme comme hôte. De cette façon, la cassette de forçage génétique n'est complète et ne peut se propager dans l'organisme cible qu'en présence du virus. Cette méthode a été mise au point pour accroître la sécurité en laboratoire. Une application de ce système en conditions environnementales est difficilement réalisable.

Les Daisy Drives ont été mises au point pour s'assurer que le forçage génétique ne fonctionne que localement, au sein d'une population souhaitée et que sa propagation s'arrête au bout d'un certain temps. Dans ce cas, la propagation de la cassette de forçage génétique dépend d'un démarreur, un autre élément d'ADN artificiel inséré dans l'organisme cible. Cet élément n'est pas essentiel pour le fonctionnement de l'organisme cible et tend à disparaître au fil des générations. En l'absence de démarreur, la propagation de la cassette de forçage génétique devrait théoriquement s'arrêter après un certain nombre de générations. Le piège : le démarreur ne doit pas être inactivé par une mutation sinon la propagation de la cassette de forçage génétique est à nouveau inarrêtable.

Liens:

 

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Forçage génétique pour l'agriculture

Un marché lucratif pour l'agro-industrie

Le forçage génétique est présenté en complément, voire en remplacement, des pesticides pour lutter contre les ravageurs et les mauvaises herbes et pour accélérer les processus de sélection végétale et animale. Elle vise à disséminer des organismes génétiquement modifiés dans l'environnement pour modifier des espèces sauvages. Un processus incontrôlable…

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Éliminer les insectes, les rongeurs et les nuisibles

Comme se sont les généticiens qui travaillent sur des insectes qui ont le plus contribué au développement de la technologie du forçage génétique, les tentatives de son utilisation pour éradiquer les insectes sont les plus avancées. L'objectif principal des chercheurs est d'équiper les ravageurs les plus communs tels que les mouches des fruits, les sauterelles et les espèces de coléoptères suceurs de plantes avec un forçage génétique pour contrôler les populations sauvages. Ils espèrent que cela leur permettra d'économiser le coût des pesticides et des récoltes perdues. Dans certains cas, comme un projet de lutte contre la mouche du vinaigre de la cerise (Drosophila suzukii), les premières disséminations ont déjà eu lieu dans les agro-écosystèmes.
Cet insecte, originaire d'Asie, est devenu un ravageur redouté en Amérique du Nord et en Europe ces dernières années, provoquant des pertes massives de récoltes. Comme elle infeste principalement les fruits rouges et les baies mûrs, elle ne peut être contrôlée que de manière limitée à l'aide d'insecticides. Les insectes bénéfiques qui parasitent les larves de la mouche du vinaigre de la cerise n'ont pas été trouvés jusqu'à présent, et les filets - seule méthode efficace contre les dégâts qu'ils causent - sont coûteux. Les scientifiques veulent donc décimer la mouche avec l'aide du forçage génétique. Pour ce faire, ils utilisent un mécanisme qu'ils ont nommé Medea, faisant allusion à la sorcière de la mythologie grecque qui a tué sa progéniture. L'acronyme signifie "Maternal Effect Dominant Embryonic Arrest" et fait référence à un mécanisme d'héritage basé sur le principe du poison/antidote. Dans ce processus, les mouches femelles du vinaigre de cerise sont dotées d'un nouveau segment de gène fabriqué en laboratoire. Cela garantit que la femelle produit une toxine pendant l'ovulation qui empêche les embryons de se développer - à moins qu'ils ne soient eux-mêmes porteurs du gène Medea. Dans ce cas, l'embryon produit un antidote qui l'aide à survivre. Le système permet de transmettre un caractère souhaité à 100% à la descendance et de le diffuser rapidement dans les populations. En couplant un gène correspondant au gène Medea, les chercheurs peuvent rendre la mouche du vinaigre de cerise vulnérable à certains facteurs environnementaux, par exemple des températures plus élevées. Le principe est simple : s'il fait trop chaud, la progéniture meurt.
Lors d'expériences en laboratoire, le système Medea s'est avéré fonctionnel. Cependant, on peut se demander si et comment elle est efficace dans les écosystèmes naturels, car son efficacité dépend fortement de la dynamique des populations. Pour un effet optimal, il faudrait libérer un très grand nombre d'individus modifiés. Les partisans de cette technologie y voient un avantage, car elle devrait empêcher les individus libérés accidentellement de déclencher une réaction en chaîne irréversible, conduisant à l'extinction incontrôlée des populations naturelles.
Un autre problème non résolu est le développement d'une résistance au forçage génétique. En outre, le mécanisme pourrait être transmis à d'autres espèces, car les frontières entre espèces n'est pas toujours claire lorsqu'il s'agit d'échange génétique. Les conséquences pourraient être graves. En fin de compte, les connaissances actuelles sur le rôle d'un ravageur dans son écosystème sont médiocres, ce qui empêche d'évaluer les effets possibles de l'extinction de l'espèce. En ce qui concerne les organismes exotiques, l'extinction de l'espèce dans l'écosystème envahi ne pose probablement pas de problème puisque cet organisme n'y appartient pas. Le principal risque demeure dans le passage du construit génétiques aux populations sauvages apparentées.
La mouche du vinaigre de la cerise n'est qu'un des nombreux insectes nuisibles que les chercheurs espèrent contrôler grâce à une construction génétique.

Le tableau suivant donne un aperçu de quelques candidats possibles :

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Les chercheurs et les investisseurs s'intéressent également à l'erradication des populations de mammifères qui menacent le stockage des produits agricoles. Les rongeurs tels que les souris et les rats causent chaque année des milliards de dollars de dégâts agricoles. C'est une raison suffisante pour que l'industrie investisse dans le développement de nouvelles mesures de lutte contre ces ravageurs. Plusieurs laboratoires travaillent déjà à équiper des populations de souris d'un "gène d'autodestruction". La souris étant l'organisme modèle le plus utilisé parmi les mammifères, on dispose déjà d'une grande quantité de connaissances sur son génome et sur les outils moléculaires adaptés à cette manipulation. L'une de ces approches est le " X-shredder" ou le "découpeur de chromosome X". Comme son nom l'indique, il s'agit d'un mécanisme de forçage génétique qui détruit les chromosomes X responsables de la détermination du sexe féminin. Cela signifie qu'il n'y aura plus de descendance femelle. D'autres équipes de recherche veulent atteindre cet objectif différemment : elles planifient un forçage génétique avec le gène sry, qui est responsable du développement des caractéristiques mâles. Au laboratoire, certains succès se dessinent. Toutefois, il existe de nombreux obstacles techniques qui pourraient empêcher l'utilisation de la construction génétique dans la nature.

En effet, il est beaucoup plus difficile de construire des forçages génétiques chez les mammifères que chez les insectes. Les risques sont également élevés : les souris modifiées pourraient facilement être transportées accidentellement vers d'autres régions ou continents et décimer ainsi des populations autres que la population cible réelle. En outre, elles pourraient se croiser avec d'autres espèces de souris et ainsi transmettre la construction génétique. Le rôle de la souris dans l'écosystème n'étant pas totalement compris, personne ne sait quelles seraient les conséquences écologiques négatives d'une réduction drastique du nombre de souris.

Même si ce n'est que rarement, on envisage d'appliquer le forçage génétique aux oiseaux. En Australie, les étourneaux (Sturnus vulgaris) sont indésirables. Les oiseaux ont été introduits vers la fin du XIXe siècle pour lutter contre les insectes nuisibles. Cependant, au début du XXe siècle, l'espèce s'est tellement répandue que les agriculteurs eux-mêmes ont été confrontés au problème. Actuellement, ils causent plusieurs centaines de millions de dollars de dégâts chaque année. Les généticiens australiens voient donc dans le forçage génétique un outil potentiel pour éradiquer l'espèce.

Comme le montre une demande de brevet de l'Université de Californie, les forçages génétiques pourraient également être utilisés pour lutter contre plus de 60 espèces de nématodes qui attaquent les racines d'un large éventail de cultures.

Les développeurs de forçages génétiques ne visent pas seulement les animaux : certains chercheurs affirment que les forçages génétiques ont le potentiel d'arrêter des champignons pathogènes tels que le champignon de levure Candida albicans, qui cause souvent des problèmes chez les animaux d'élevage.

 

Inverser la résistance des mauvaises herbes aux herbicides

Un autre objectif des sélectionneurs est d'utiliser le forçage génétique pour restaurer la sensibilité de certaines mauvaises herbes aux herbicides. Les soi-disant super mauvaises herbes, qui ne sont plus sensibles aux herbicides les plus vendus, causent de plus en plus de problèmes aux entreprises agricoles. Le forçage génétique vise à restaurer leur sensibilité afin qu'ils puissent continuer à être contrôlés avec les mêmes herbicides. Cela signifierait que les entreprises n'auraient pas à renoncer aux bénéfices de la vente de ces pesticides.
L'une de ces super mauvaises herbes est l'Amaranthus palmeri, une espèce d'amarante qui infestait à l'origine les champs agricoles du sud des États-Unis. La plante est maintenant l'une des mauvaises herbes de plein champ les plus problématiques car elle a développé une résistance à l'herbicide le plus largement pulvérisé, le glyphosate, ainsi qu'à d'autres herbicides couramment utilisés. Ces résistances peuvent également être transférées à des espèces de mauvaises herbes apparentées. L'Académie nationale des sciences des États-Unis (NAS) étudie donc la possibilité d'utiliser un forçage génétique pour rendre la plante à nouveau sensible aux herbicides "les plus importants". Ce qui est caché, c'est la façon dont une telle application renforcerait considérablement le monopole agricole de quelques grandes sociétés agricoles - les fabricants d'herbicides. Une demande de brevet pour la technologie déposée par l'université de Harvard énumère plus de 50 mauvaises herbes et près de 200 herbicides pour lesquels la technologie pourrait être utilisée. Un scénario commercial prometteur pour les entreprises agrochimiques. Dans ce contexte, l'absence de prise en compte de l'impact potentiel sur la sécurité alimentaire constitue une lacune particulièrement grave. Si la construction d'un forçage génétique devait être transférée à des espèces d'amarante cultivées apparentées - des cultures vivrières importantes en Amérique du Sud - leurs récoltes pourraient également tombée sous le joug du brevet. En outre, l'espèce contrôlée comme une mauvaise herbe possède elle-même de nombreuses propriétés précieuses, notamment une valeur nutritionnelle élevée et une tolérance à la sécheresse. Elle pourrait donc avoir une signification pour l'alimentation humaine ou l'élevage. La propagation de la construction génétique aux populations non agricoles mettrait en danger cette perspective de la sécurité alimentaire.
La tentative de rendre les mauvaises herbes à nouveau sensibles aux herbicides à l'aide de forçage génétique renforce également l'approche dominée par les herbicides dans la lutte contre les mauvaises herbes, dont il a été démontré qu'ils sont nuisibles pour l'environnement et la santé.

Pour l'instant, on ne sait pas encore si les plantes pourront un jour être équipées d'une telle construction génétique. Le plus gros problème est le mécanisme de réparation de l'ADN, qui est sujet à des erreurs. Par rapport aux animaux et aux autres organismes, les plantes utilisent la liaison terminale dite non-homologue pour réparer les cassures double-brin causées par le système CRISPR/Cas. Suite à cette réparation, de petites mutations sont produites sur le lieu de la rupture. Ces derniers empêchent le fonctionnement du forçage génétique. D'autres facteurs, tels que les graines qui peuvent survivre dans le sol pendant plusieurs années, ralentissent sa propagation dans la population. Contrairement aux tentatives coûteuses et quelque peu désespérées de lutte contre les mauvaises herbes à l'aide des biotechnologies, les approches agroécologiques déjà éprouvées promettent des solutions plus durables et plus efficaces.

Un accélérateur pour les processus de sélection

Accélérer les processus de sélection variétale - c'est du moins ce qu'espèrent les généticiens. Les éleveurs d'animaux et de plantes veulent utiliser la technologie pour s'assurer qu'un caractère génétiquement modifié est transmis de manière fiable à la descendance ou est rapidement introduit dans les variétés végétales et les lignées d'élevage. Ils espèrent obtenir des avantages commerciaux considérables grâce à cette technologie.
Un bon exemple est l'élevage de vaches sans cornes. Les cornes sont indésirables dans l'élevage laitier industriels axé sur le profit car le nombre d'animaux élevés ensembles dans un espace restreint est considérable afin d'augmenter la rentabilité économique. Cependant, ces conditions conduisent à un comportement agressif. C'est pourquoi les animaux sont souvent adaptés et écornés mécaniquement. Les organisations de protection des animaux critiquent cette procédure car l'intervention provoque des souffrances et des dommages permanents au bétail.
Les scientifiques spéculent déjà sur la manière dont ils pourraient créer des vaches sans cornes de manière indolore à l'aide du forçage génétique afin de poursuivre l'élevage de masse confortablement. Une mutation naturelle est utilisée comme modèle pour l'édition des gènes, grâce à laquelle certaines races de bovins de boucherie ne portent pas de cornes. Cependant, ces races ne produisent qu'un rendement laitier modéré. Pour créer la vache laitière idéale, il faudrait combiner les deux caractéristiques. Par le biais de la sélection classique, cela prendrait beaucoup de temps. C'est pourquoi on simule - jusqu'à présent seulement avec des modèles - comment cet objectif pourrait être atteint plus rapidement en utilisant le forçage génétique. La recette : prenez des cellules d'une vache laitière à haute performance et éteignez le gène responsable de la formation des cornes. Le clonage est utilisé pour créer une progéniture sans cornes à partir de ces cellules. Ceux-ci sont ensuite croisés avec les meilleurs animaux des races de vaches laitières à haute performance. Le système de forçage génétique intégré garantit que seuls des descendants sans cornes sont produits. La vache laitière parfaite serait créée. Cependant, le bien-être animal et la dignité de la créature sont perdus dans le processus. Les vaches sont très sociales et ont besoin de leurs cornes pour négocier la stricte hiérarchie du troupeau, encore et toujours. Ce n'est que lorsque l'espace manque dans le parc ou dans l'étable que cela représente un danger.

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Forçage génétique à des fins de conservation et de protection de la nature

Un leurre pour forcer l'acceptation du forçage génétique
Les promoteurs du forçage génétique affirment que cette technologie est un outil pour limiter l’extinction d’espèces menacées. Cet argument n’est souvent qu’un moyen pour faire accepter le forçage génétique. L’utilisation du forçage génétique est souvent en contradiction totale avec la préservation de la biodiversité génétique et écosystémique...


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