thumb|236px|Une structure du Cas9 de S. aureus dans un complexe avec un ARN guide (haut) et son ADN cible (bas).
Cas9 () est une protéine d'origine bactérienne aux propriétés anti-virales. Sa capacité à couper l'ADN au niveau de séquences spécifiques en a fait un outil de biologie moléculaire aux vastes perspectives d'utilisation.
C'est une endonucléase d'ADN guidée par ARN, c'est-à-dire une enzyme spécialisée pour couper l'ADN avec deux zones de coupe actives, une pour chaque brin de la double hélice.
La protéine Cas9 est associée au système immunitaire adaptatif type II de CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Cette enzyme peut être utilisée en génie génétique pour modifier facilement et rapidement le génome des cellules animales et végétales. Des outils permettant d'éditer le génome existaient depuis les années 1970 mais étaient bien moins efficaces, plus complexes et bien plus coûteux que Cas9. Cette technique Crispr-Cas9, dite des « ciseaux moléculaires », fait beaucoup parler d'elle, entre espoirs de guérir des maladies génétiques et risques de dérives éthiques. Ces questions liées à la modification génétique renvoient directement à la Convention sur les droits de l'homme et la biomédecine de 1997, dont l'article 13 est consacré aux interventions sur le génome humain. Il est écrit qu'« une intervention ayant pour objet de modifier le génome humain ne peut être entreprise que pour des raisons préventives, diagnostiques ou thérapeutiques et seulement si elle n'a pas pour but d'introduire une modification dans le génome de la descendance. ».
Depuis sa découverte, la protéine Cas9 a été largement utilisée comme outil d'ingénierie du génome pour produire des ruptures du double brin d’ADN ciblé. Ces cassures peuvent conduire à l’inactivation de gènes ou à l'introduction de gènes hétérologues par jonction d'extrémités non homologues ou par recombinaison homologue chez de nombreux organismes. Parallèlement aux nucléases à doigt de zinc et aux protéines TALEN, Cas9 est devenu un outil de premier plan dans le domaine de la génomique. Cas9 a gagné en popularité de par sa capacité à couper l’ADN précisément à n’importe quel emplacement complémentaire de son ARN guide.. Contrairement aux méthodes TALEN et à doigts de zinc, le ciblage de l'ADN par Cas9 est direct et ne requiert pas de modification de la protéine mais seulement de l'ARN guide... Des versions modifiées de la protéine Cas9 qui se lient mais ne coupent pas l'ADN (dCas9) peuvent être de plus utilisées pour localiser des activateurs ou des suppresseurs de transcription de séquences d'ADN spécifiques afin de contrôler l'activation et l’inactivation de la transcription de certains gènes... Le ciblage Cas9 a été notamment simplifié grâce à la création d’ARN chimérique unique. Des scientifiques ont suggéré que la technologie Cas9 avait le potentiel pour modifier les génomes de populations entières d'organismes.. En 2015, des scientifiques en Chine ont utilisé Cas9 pour modifier le génome d'embryons humains pour la première fois.. Depuis 2015 et toujours en Chine, des patients atteints notamment de cancers, sont traités à l'aide de CRISPR-Cas9..
En , le prix Nobel de chimie a été attribué à Emmanuelle Charpentier et Jennifer Doudna pour le développement d'une méthode d'édition du génome : le système d'édition CRISPR-Cas9..
Fonctionnement Cas9 est associée aux séquences CRISPR ( ou ) dans l'immunité adaptative de Streptococcus pyogenes, parmi d'autres bactéries.
Streptococcus pyogenes utilise l'outil Cas9 pour détecter et défaire l'ADN étranger, tels que l'invasion de l'ADN de bactériophages ou d'un ADN plasmidique. Cas9 effectue cette détection par déroulement de l'ADN étranger et la vérification de complémentarité avec la région longue d'espacement d'une vingtaine de paires de base de l'ARN guide.. Si une séquence d'ADN est apparentée à l'ARN guide, Cas9 découpe l'ADN invasif. En ce sens, l'outil CRISPR/Cas9 a un certain nombre de ressemblances avec le mécanisme de l'interférence par ARN chez les eucaryotes..
Invention et brevetage La technique d'édition de génome CRISPR-Cas9 a été découverte par l'équipe de la chercheuse française Emmanuelle Charpentier avec l'aide de l'Américaine Jennifer Doudna à l'université de Californie à Berkeley. Elle a été par la suite développée à partir de 2012 par plusieurs chercheurs, dont notamment le biologiste moléculaire Feng Zhang, du Broad Institute (associé à Harvard et au MIT). Berkeley conteste devant une commission d'appel de l'United States Patent and Trademark Office le brevet accordé au Broad Institute pour cette découverte Kelly Servick, « Accusations of errors and deception fly in CRISPR patent fight », Science, .. Le , l'United States Patent and Trademark Office a considéré que les brevets déposés par le Broad Institute sur l'usage de CRISPR/Cas9 dans le cas de cellules eucaryotes étaient valides. Pour autant, les revendications de l'université de Berkeley (à l'origine des dépôts de brevets de Jennifer Doudna et d'Emmanuelle Charpentier) quant à l'emploi de CRISPR/Cas9 sur tous types de matériel génétique (y compris les cellules eucaryotes) n'ont pas été rejetées Sharon Begley, « Broad Institute prevails in heated dispute over CRISPR patents », Stat, , consulté le . Sharon Begley, « 6 Takeaways from the CRISPR Patent Decision », Scientific American, , consulté le ..
Outil de génie génétique Outre sa fonction d'origine bactérienne dans l'immunité, la protéine Cas9 est utilisée comme un outil du génie génétique pour induire des cassures double brin dans l'ADN. Ces ruptures peuvent conduire à l'inactivation du gène ou à l'introduction de gènes hétérologues à travers deux types de réparation : la jonction d'extrémités non-homologues et la recombinaison homologue chez de nombreux organismes modèles de laboratoire.
Ce genre d'outil existait déjà avec les Transcription activator-like effector nucleases (TALEN) et les nucléases à doigt de zinc mais Cas9, grâce à son efficacité, sa rapidité et son faible coût devient un outil de premier plan dans le domaine de la thérapie génique.
La compréhension de l'outil CRISPR/Cas9 a progressé au cours des années 2010, car il peut découper pratiquement toutes les séquences complémentaires de l'ARN guideM. Jinek, K. Chylinski, I. Fonfara, M. Hauer, J. A. Doudna, E. Charpentier, « A Programmable Dual-RNA-Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity », Science, vol. 337, , 2012, pp. 816-821 .. Grâce à la spécificité de la cible de Cas9 qui provient de l'ARN guide et de la complémentarité de l'ADN et non pas des modifications de la protéine elle-même (comme TALEN et les nucléases à doigt de zinc), l'outil Cas9 peut cibler un nouvel ADN assez facilementP. Mali, K. M. Esvelt, G. M. Church, «Cas9 as a versatile tool for engineering biology », Nature Methods, vol. 10, , 2013, pp. 957-63 .. La souplesse de conception couplée avec les versions de Cas9 qui lient mais ne découpent pas d'ADN apparenté a aussi un potentiel pour la correction et désactivation des gènes en localisant l'activateur ou les répresseurs des séquences spécifiques d'ADN... Une simplification plus poussée a été fournie dans une étude inédite en 2012 qui représente la création d'un ARN chimérique de guidage unique, plutôt que l'ARN guide original composé de deux ARN disparates qui s'associent à de l'ARN-CRISPR, et la trans-activation de l'ARN. Les scientifiques suggèrent que les lecteurs de gènes à la base de Cas9 peuvent être capables d'éditer les génomes de populations entières d'organismes.. Tout comme la révolution de la biologie moléculaire qui a accompagné la découverte des enzymes de restriction dans les années 1970, la « boîte à outils Cas9 » détient également un grand potentiel.
Applications Les premières applications ont été réalisées sur des animaux et notamment des primatesJean-Philippe Braly, « La modification de l'ADN à la portée de tous », La Recherche, , janvier 2015, p. 60.. Grâce à Crispr-Cas9 et son coût de développement réduit, des scientifiques ont déjà créé des vaches sans cornes (pour éviter qu'elles ne se blessent). D'autres prévoient de ressusciter des espèces disparues comme le mammouth par exemple« CRISPR-CAS9, une révolution biologique qui divise. », JT de 20 h, France 2, ..
L'industriel Monsanto, filiale de Bayer, a acquis fin 2016 les droits d’exploitation de Crispr-Cas9..
Thérapie génique Grâce à CRISPR-Cas9, une équipe américaine a réussi à rendre un moustique résistant au paludisme et prévoit de le libérer dans la nature pour transmettre ce gène de résistance à l'ensemble de l'espèce évitant ainsi les 500 000 victimes humaines annuelles liées à cette maladie« Un moustique génétiquement modifié contre le paludisme », Le Monde - Science et techno, ..
CRISPR-Cas9 ouvre également la voie à de nombreuses solutions de thérapie génique telles que la guérison du cancer, de la mucoviscidose, de l'hémophilie ou Alzheimer. En somme, « rendre les humains plus résistants » et rallonger notre espérance de vie. En , les premiers tests de lutte contre le SIDA effectués sur des souris ont été concluants« Le sida éradiqué chez des souris grâce à des « ciseaux à ADN » », Les Échos, ..
Des chercheurs chinois ont utilisé Crispr-Cas9 en sur des patients atteints d'un cancer du poumon. C'est la première fois que Crispr est utilisé sur des humains adultes. Lu You, oncologue de l'université chinoise de Sichuan, tente de modifier les lymphocytes T des patients avec Crispr. En cas de cancer, les lymphocytes T n'attaquent pas les cellules tumorales, car elles sont incapables de les distinguer des cellules saines. Les chercheurs chinois vont extraire des lymphocytes T du patient, puis tenter d'utiliser Crispr-Cas9 pour « couper » un gène bien particulier, appelé PD-1. La cellule génétiquement modifiée est multipliée in vitro, et le tout est réinjecté au patient. (voir aussi Récepteur antigénique chimérique et Transfert adoptif de cellule).
Aux États-Unis, un essai similaire est en attente d'une autorisation de la FDA, le « gendarme » américain de la santé. L'autorisation pourrait arriver d'ici à la fin de l'année.
Une jeune entreprise américaine spécialisée sur CRISPR et financée par Bill Gates souhaite également réaliser ses premiers essais sur un être humain pour venir à bout d'une maladie rare touchant les yeux.
En 2017, la technologie CRISPR-Cas9 a permis également d'importantes avancées des thérapies de transfert adoptif de cellules en immunologie en facilitant la reprogrammation des cellules immunitaires avec des premiers succès thérapeutiques.
Dans une publication parue dans Nature en 2017, des chercheurs de l'université de Pittsburgh ont utilisé CRISPR-Cas9 pour modifier directement l'ADN des cellules cancéreuses par l'intermédiaire d'un virus. Les essais chez la souris ont montré une réduction des tumeurs sans nuire aux cellules saines. Au terme de l'étude, toutes les souris traitées étaient encore en vie contrairement au groupe témoin où toutes les souris avaient péri..
En 2019, c'est au contraire l'ADN des lymphocytes T de patients atteints d'un cancer (sarcome ou myélome multiple) qui a été modifié grâce à CRISPR-Cas9. L'opération a consisté à éteindre les gènes d'un récepteur qu'activent les cellules cancéreuses pour bloquer le système immunitaire, et d'un autre récepteur qui peut entraver le ciblage des cellules cancéreuses..
Modification d'embryons humains Le , des chercheurs de Canton ont publié un article dans annonçant avoir utilisé la technique CRISPR/Cas9 pour modifier génétiquement des embryons humains... Selon Junjiu Huang, qui a dirigé ces recherches, cet article aurait été refusé. par Science et Nature à cause des problèmes éthiques que posent de telles recherches. L'article note une sensibilité et une spécificité insuffisantes de la technique pour qu'elle puisse être utilisée en thérapie génique à ce stade.