CRISPR-Cas9 : de la génération Monod à la génération Charpentier, du mécanisme à l’information

I. brève recension d’une découverte scientifique importante

Le sens du monde s’exprime souvent par des clichés et autres formules, certains devenus classique. Mais le mieux est d’assortir les clichés de quelques développements permettant de capter les évolutions marquantes et les ruptures dans les secteurs décisifs de l’existence ; comme peuvent l’être l’art, la politique, la philosophie et la science. Si vous suivez les médias, il ne vous aura pas échappé qu’une découverte scientifique récente s’est propagée dans les journaux et sur les plateaux de télévision avec les apparitions successives d’Emmanuelle Charpentier, l’une des scientifiques les plus en vue présentée comme femme influente par les médias et de surcroît française, ce qui facilite les interviews tout en alimentant notre narcissique patriotique. Quoique, il n’y a pas de quoi pavoiser quand l’une des biologistes les plus en vue a préférer opter pour les laboratoires situés en Scandinavie, Autriche ou Allemagne.

De quoi s’agit-il quand on évoque le CRISPR-Cas9 ? On désigne un système moléculaire trouvé dans les bactéries dont la fonction est connue dans les grandes lignes mais qui a pu être détourné pour en faire un outil efficace dans le domaine des manipulations génétiques. Le système CRISPR a été découvert il y a un quart de siècle dans un laboratoire espagnol par Francisco Mojita au cours de ses études doctorales. D’étranges séquences quasiment palindromiques séparées par des séquences intercalées (spacers) ont été trouvées chez un type de bactérie. Un palindrome est une suite de lettres que l’on peut lire dans les deux sens. Cette propriété permet aux ARN transcrits de former des structures ribonucléiques en trois dimensions avec les bases appariées. Ces structures, comme par exemple les épingles à cheveux, sont impliqués dans les mécanismes de coupure d’ADN. La découverte des séquences CRISPR a été publiée en 1993. Il a fallu deux décennies de recherche et de nombreux contributeurs pour réaliser deux objectifs, l’un étant prévisible mais pas le second.

Le premier concernait la recherche du rôle de ces séquences qui se sont dévoilées comme les éléments d’un système complexe de défense immunitaire déployé par les bactéries contre des éléments envahissants, essentiellement les phages viraux et les plasmides. Brièvement, la bactérie incorpore la séquence virale dans son génome. Elle acquiert une sorte de mémoire génétique qui sera utilisée pour contrer la prochaine infection exogène. Le mécanisme est assez complexe. Il utilise plusieurs protéines permettant de détruire l’ADN viral en utilisant une matrice d’ARN complémentaire qui cible la séquence à éliminer.

Le second objectif n’était pas prévu au départ. Emmanuelle Charpentier était impliquée dans cette recherche sur les mécanismes du système de défense CRISPR qui se présente sous trois types et mobilise des protéines désignées comme Cas. Elle s’est demandée si ce mécanisme ne pouvait pas être utilisée pour réaliser des coupures spécifiques dans n’importe quel ADN, du végétal au mammifère en passant par les insectes et autres espèces. En utilisant le type II associé à la protéine Cas9, elle a réussi son objectif en s’associant avec une autre spécialiste de génétique moléculaire, Jennifer Doudna. Depuis 2013, ces deux scientifiques accumulent les récompenses alors que les laboratoires du monde entier se sont lancés dans la course et publient des résultats assez convaincants. Pratiquement tous les génomes du vivant sont découpés par cet outil moléculaire de très haute précision qui n’innove pas dans le principe mais s’avère bien plus accessible et pratique que les anciennes enzymes de restriction comme par exemple les nucléases à doigt de zinc. Le système CRISPR-Cas9 fonctionne en utilisant un ARN correspondant au gène que l’on veut découper. Pour bien comprendre la prouesse, il faut imaginer l’ancien système comme un CD qui pour être lu, doit utiliser un lecteur. Mais chaque fois qu’un nouveau CD est employé, il faut changer le lecteur. Grâce au système CRISPR-Cas9, il faut juste changer le CD, c’est-à-dire utiliser l’ARN permettant de cibler la séquence d’ADN que l’on veut couper.

II. De la biologie de Monod à la biologie de l’information

La découverte du système CRISPR-Cas9 marque-t-elle une nouvelle étape dans la biologie ou bien n’est-elle qu’un outil moléculaire conventionnel mais d’une efficacité redoutable ? Dans la seconde éventualité, nous serions dans la conjoncture d’un progrès technologique à l’image de l’évolution des ordinateurs depuis les IBM volumineux programmés avec les cartes performés jusqu’aux PC contemporains. Mais dans la première éventualité, cette découverte pourrait s’inscrire dans un nouveau paradigme et en fournir un symbole. Un regard 50 ans en arrière pourrait livrer quelques indices sur les transformations de notre conception du vivant.

Les années 1960 marquent l’essor de la biologie dite moléculaire. Monod et ses confrères ont découvert des mécanismes moléculaires présents dans les cellules. Ces mécanismes ont propulsé une conception mécaniste de la vie avec l’idée fondamentale de la rétroaction. L’opéron lactose est l’un des premiers mécanismes de régulation génique mis en évidence et c’est l’exemple le plus connu de régulation des gènes dans la bactérie. Le lactose est un élément nutritif que la bactérie peut métaboliser sous réserve que cet élément soit présent dans le milieu de culture. Si c’est le cas, la bactérie doit synthétiser l’enzyme nécessaire à la métabolisation. En absence de lactose, un répresseur empêche le gène d’être transcrit pour fournir l’ARN codant pour l’enzyme permettant de digérer le lactose. Mais lorsque le lactose est présent, un mécanisme subtilement ajusté permet de supprimer le répresseur, ainsi, le gène est activé et transcrit. Le lactose sera métabolisé.

Le mécanisme associé à l’opéron épouse le principe rétroactif du thermostat inventé à la fin du 19ème siècle. Le thermostat utilise un système bilame qui peut changer de forme en fonction de la température. Lorsqu’un seuil de température est atteint, la position du bilame s’infléchit et le contact ne se fait plus si bien que l’interrupteur coupe le courant qui alimente le système de chauffage. Lorsque la température descend, le bilame reprend sa forme permettant à l’interrupteur d’activer à nouveau le chauffage. Le principe du thermostat donne une idée très simple du fonctionnement des processus cybernétiques que l’on trouve par exemple dans un missile autoguidé qui capte les informations spatiales et corrige en temps réel sa trajectoire pour parvenir à atteindre sa cible. Les mécanismes cybernétiques sont largement répandus, que ce soit dans les machines construites par l’homme ou bien les processus du vivants, quelle que soit l’échelle et en l’occurrence, dans les bactéries. De plus, les mécanismes du vivant adoptent un autre principe, celui de l’ajustement des formes et les changements de configuration. Ces mécanismes sont à la base de l’allostérie, autre découverte imputée à Monod et ses confrères. Lorsqu’une molécule d’oxygène se fixe sur l’hémoglobine, celle-ci change de configuration de telle manière que la seconde molécule se fixe plus facilement et ainsi de suite. Le mécanisme d’ajustement des formes est aussi au fondement des communications moléculaires avec le principe de la clé et la serrure qui explicite comment un médiateur moléculaire se fixe sur le récepteur qui lui est associé.

L’ajustement fonctionne aussi dans les processus immunitaires qui, chez les vertébrés, utilisent cette classe de molécules que sont les immunoglobulines, couramment désignées comme anticorps, lesquels se fixent sur des déterminants moléculaires présents sur les agents pathogènes comme le sont les bactéries ou les virus. Les anticorps représentent une sorte de bibliothèque de figures permettant de déterminer l’identité d’un organisme et de détecter ce qui est étranger à son identité et qui représente une menace potentielle en cas d’invasion et de diffusion. Cette bibliothèque est en fait codée par un ensemble de gènes formant un complexe (HLA chez l’homme) et pouvant produire des anticorps en nombre grâce aux mécanismes post-transcriptionnels comme l’épissage des ARN.

Sautons un demi-siècle pour entrer dans un nouvel univers, avec une nouvelle génération de scientifiques sont Emmanuelle Charpentier qui partage deux points communs avec Monod. Premièrement, l’utilisation des bactéries à l’origine d’une découverte importante et deuxièmement, un prix Nobel qui semble acquis d’après les observateurs de la vie scientifique. Ces détails sont bien évidemment anecdotiques eu égard aux enjeux scientifiques qui pour être compris imposent de remonter aux constats tracés depuis deux décennies sur la particularité du système Cripsr-Cas9 considéré comme le ressort d’un mécanisme immunitaire spécifique aux bactéries et dont la particularité est de conserver une mémoire immunitaire en intégrant les séquences virales des phages ou des plasmides rencontrés lors d’une infection par la bactérie. Ce sont ces séquences qui sont insérées sous forme de « spacer » entre les motifs palindromiques.

Essayons maintenant de cadrer ces processus immunitaires dans le cadre d’un paradigme en jouant sur la métaphore qui convient à la situation. Autrement dit, si l’opéron lactose fait penser au thermostat, quel objet technologique pourrait être associé au CRISPR-Cas9 ? Je suggère de reprendre l’image du CD qui contient la séquence virale et que l’on supposera coder pour des séquences musicales à l’instar du CD numérique restituant une symphonie, de Mozart par exemple. Lorsqu’une bactérie est engendrée, elle contient un patrimoine génétique que l’on va imaginer comme un ensemble de partitions écrites par Mozart. Imaginez maintenant un phage dont le CD joue du Johnny Hallyday. La bactérie entend Johnny et le reconnaît comme un élément envahisseur. Du coup, elle intègre ce CD dans sa banque de données sous forme de « spacer ». Il n’est même pas nécessaire de copier tout le disque, la voix de Johnny suffit, le « spacer » n’est qu’un enregistrement partiel de la séquence virale du bactériophage par le génome bactérien. Lorsque cette bactérie est à nouveau en présence du CD de Johnny en « entendant » sa voix, elle décide d’inactiver l’information qui s’y trouve et pour ce faire, élabore une copie à partir du « spacer » qui, en se liant à la protéine Cas9 et à un autre facteur, va pouvoir désactiver le CD de Johnny avant qu’il ne se reproduise dans la bactérie et ne joue sa musique tellement forte que la bactérie sera détruite.

Cette métaphore du lecteur de CD et de la banque musicale enregistrée sous forme d’ADN nous place inévitablement dans un paradigme, celui de l’information. D’aucun pourraient penser que j’enfonce une porte ouverte. Je répondrais néanmoins que ce paradigme ne ressemblera que de très peu à l’interprétation de la biologie en terme d’information telle qu’elle a été forgée par Henri Atlan en utilisant la théorie de Shannon. La bactérie est connue comme régulateur métabolique. C’est d’ailleurs à ce titre qu’elle colonise notre système digestif en lui permettant de fonctionner correctement. Le système CRISPR-Cas9 assigne à la bactérie une autre fonction qui serait une régulation de l’information génétique. Reste à établir les déterminations complètes de cette fonction, son rôle et pourquoi la Nature a développé un tel système.

Des travaux récents ont mis en évidence un système CRISPR au sein du mimivirus, l’un des quelques virus géants connus des virologues. Les auteurs ce cette étude conçoivent le système CRISPR-Cas comme un système immunitaire développé par ce virus très complexe afin d’éviter d’être parasité par un élément exogène, le virophage Zamilon. Plus précisément, un système proche de CRISPR a été trouvé sur la lignée A du mimivirus, précisément celle qui résiste à l’offensive du virus Zamilon, contrairement aux lignées B et C. Il est légitime de penser que le virophage est susceptible d’altérer le fonctionnement du mimivirus en perturbant son système de gestion de l’information. Et qu’une lignée de virus a pu se défendre contre cette invasion. Cela laisse supposer que les virus possèdent une finalité qui se réalise moyennant la mobilisation de cette défense immunitaire exercée contre un perturbateur non pas physiologique (une bactérie dans un animal) mais sémantique. Ce monde étrange semble conserver la structure interne de son organisation sémantique au même titre que nous humains, sommes attentifs au langage externalisé et aux différents mots et signes qui le constituent.

Nous voilà au seuil d’une conjecture universelle sur l’information qui en biologie est un moyen ou une fin. Une question philosophique de haut vol ; vaste interrogation. Quelle est la finalité du monde vivant pour autant qu’il y en ait une et quelle place occupe l’information, sous réserve que l’on puisse concevoir avec rigueur ce qu’est l’information, au sens phénoménologique comme élément qui se transmet et au sens ontologique, comme instance qui ordonne l’information car elle est faite d’un même bloc ontologique que l’information qui se transmet ? Ontologie et phénoménologie, ces deux concepts philosophiques ont un bel avenir avec l’avènement de l’information en biologie ainsi qu’en physique.

Comme toujours, la science offre deux chemins. (i) L’un est fait d’applications technologiques, d’outils, d’instruments permettant d’atteindre des objectifs, de réaliser des choses, d’opérer, de faire diverses opérations en vue d’un projet, pour obtenir des résultats. C’est ce chemin qui a été parcouru par tous les inventeurs de techniques et ici en l’occurrence, les techniques permettant de découper l’ADN au niveau de séquences choisies. (ii) L’autre chemin sert la connaissance. S’il est complémentaire du précédent, il s’affranchit des nécessités technologiques pour emprunter la voie de la réflexion philosophique sur le comment des choses et surtout, le pour quoi et la finalité des choses. Le système CRISPR nous place face à l’énigme de la vie et nous invite à réfléchir sur l’existence de cette information qu’on dit génétique et qui occupe une place fondamentale dans l’univers des bactéries et des virus. Ces mécanismes de défense contre les virus, exercées y compris par des virus géants, ne suggèrent-ils pas une sorte de compétition jouée au niveau de l’information par des ensembles moléculaires qui ne sont même pas vivants au sens de l’autonomie car les virus ont besoin d’organismes vivant pour se répliquer. (iii) Une voie du milieu associe les technologies et la philosophie en mobilisant les sciences empiriques et les applications pour les mettre au service d’une finalité, celle de la connaissance. L’outil CRISPR permet de « cibler » les séquences et de manipuler l’information dans les cellules. Cette opération peut servir des intérêts thérapeutiques ainsi que des applications dans l’agro-alimentaire, ou peut-être, moyennant l’imaginaire scientifique et quelques hypothèses bien formulées, des objectifs de connaissance fondamentale sur le fonctionnement de l’information dans le monde vivant. A voir…

Monod a écrit le « hasard et la nécessité », livre dans lequel il présente ses conceptions sur la nature et la place de l’homme dans l’univers. Un nouveau livre devra être écrit. Il prendra appui sur les résultats obtenus en physique et en biologie. Des découvertes qui placent l’information en position centrale. C’était un peu l’idée de l’intitulé de ce billet évoquant la génération Monod et la génération Charpentier. Mais pour écrire un livre, il faut un auteur.

Liens utiles

http://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(15)01705-5.pdf

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4403038/pdf/emmm0007-0363.pdf

http://femsre.oxfordjournals.org/content/femsre/39/3/442.full.pdf

http://www.nature.com/nature/journal/v531/n7593/fig_tab/nature17146_SF2.html