alt=|vignette|295x295px|Schéma général du processus de modification localisée du génome. L'édition génomique ou modification localisée de séquence génomique (genome editing pour les anglophones) regroupe un ensemble de techniques de manipulation du génome visant à la modification du matériel (et donc de l'information) génétique. Ces techniques sont plus précises et ciblées que les techniques OGM historiques qui consistent à modifier ces organismes par transgenèse, procédé qui introduit un fragment d'ADN exogène à un emplacement aléatoire du génome.
Les termes « édition génomique » ou « édition du génome », bien que couramment employés, sont à éviter car contrairement au mot anglais « editing », le mot « édition » ne signifie pas « modifier, corriger, retoucher ». L'expression « édition génétique » est aussi à éviter car ayant un autre sensP. D’Iorio, « Qu’est-ce qu’une édition génétique numérique ? », Genesis. Manuscrits-Recherche-Invention, , 2010, pp. 49-53..
Ces techniques peuvent être appliquées aux plantes, aux animauxW. S. Tan, D. F. Carlson, M. W. Walton, S. C. Fahrenkrug, P. B. Hackett, « Precision editing of large animal genomes », Adv Genet., , 2012, pp. 37-97 doi:10.1016/B978-0-12-404742-6.00002-8. . ., aux champignons et aux organismes unicellulaires, procaryotes ou eucaryotes. Certains laboratoires proposent aussi de les appliquer au génome humain.
Potentialités et limites Les approches de modification localisée du génome sont utilisées en recherche fondamentale et dans l'industrie pour produire des cellules ou des organismes génétiquement modifiés. Ces techniques sont plus précises que les approches de transgenèse qui introduisent des modifications génétiques (souvent sous la forme d'ADN exogène) au hasard dans le génome sans contrôle précis du site d'insertion. Elles sont également plus efficaces que les premières approches de modification génétique basées sur la recombinaison homologue spontanée entre une séquence d'ADN exogène et l'ADN génomique.
Ces techniques ont notamment suscité l’espoir de ne pas soulever les mêmes réticences et controverses que les premières générations d’OGM. Certains acteurs de l'industrie agroalimentaire tentent en particulier d'utiliser des lacunes de la législation de certains pays envers les organismes qui sont génétiquement modifiés sans faire appel à un transfert d'ADN d'un organisme à un autre. Au Japon, un conseil consultatif a proposé le d’autoriser, sans évaluation sanitaire préalable, la mise sur le marché d’aliments dont les gènes ont été édités« CRISPR : des aliments génétiquement édités bientôt dans les supermarchés japonais ? », Courrier international.. Ces approches pourraient aussi être appliquées à l'être humain dans l’objectif de corriger des mutations délétèresD. F. Carlson & S. C. Fahrenkrug, « Targeting DNA with fingers and TALENs » (PDF), Molecular Therapy- Nucleic Acids, vol. 1, , 2012 doi:10.1038/mtna.2011.5. Consulté 11 novembre 2014.. La possibilité d'utiliser l'édition génomique afin d’améliorer le génome humain, par exemple dans le contexte du transhumanisme ou du post-humanisme, est également anticipée. Cependant la plupart des législations n'autorisent pas l'introduction de modifications génétiques transmissibles à la descendance chez l'homme.
Ces techniques encore émergentes peuvent potentiellement révolutionner la médecine personnalisée et la thérapie génique, ce pourquoi elles ont été mises en valeur par Nature Methods comme « méthodes de l'année » en 2011« Method of the Year 2011 », Nat. Meth., vol. 9, , 2011, p. 1-1., mais elles ont aussi rapidement suscité un appât du gain et des mouvements de privatisation aux États-Unis notamment, avec de nombreuses sociétés et jeunes entreprises qui, ayant saisi le potentiel de la technologie CRISPR, ont déclenché une course aux brevetsAntonio Regalado, « Who Owns the Biggest Biotech Discovery of the Century? », MIT Technology Review, 04/12/2014.. Face à cette évolution, plusieurs groupes de scientifiques ont en 2015 publiquement attiré l’attention sur des dérives possibles ou en cours concernant des utilisations non éthiques de ces technique... De plus, des interrogations persistent quant à la spécificité relative des outils utilisés en édition génomique et l'impact que pourraient avoir des mutations hors-cibles. Des incertitudes existent également quant à d'éventuels effets indésirables dans les cellules ou dans l'organisme résultant de l'utilisation de vecteurs pour le transfert des outils de modification génomique..
Principes de base de l'édition génomique vignette|549x549px|Principales modifications génétiques introduites à la suite d'une coupure par une nucléase. Les techniques de modification localisée du génome regroupent des techniques de génie génétique dans lesquelles un ou plusieurs morceaux d'ADN sont insérés, remplacés ou retirés d'un génome. Le mot anglais editing évoque le vocabulaire de l’informatique où la fonction « couper-coller » peut métaphoriquement aussi évoquer les « ciseaux moléculaires » maintenant couramment utilisés en ingénierie génomique.
Ces ciseaux moléculaires sont des nucléases ; des enzymes de restriction qui peuvent sectionner le double-brin d’ADN à des emplacements précis, coupures auxquelles les cellules répondent par des mécanismes de réparation de l'ADN. Le principe de base des approches de modification localisée du génome consiste à utiliser ces mécanismes de réparation de l'ADN afin d'introduire des modifications génétiques. Ici, les scientifiques cherchent à exploiter les mécanismes naturels de réparation de l'ADN : la recombinaison homologue (RH) : c’est un type de réparation par recombinaison génétique où, à la suite d'une coupure de l'ADN, les séquences de nucléotides sont échangées entre des molécules d'ADN identiques ou similaires. Ce mécanisme est aussi à l’œuvre lors du processus de méiose, par lequel les eucaryotes créent des gamètes et de nouvelles combinaisons génétiques. La réparation par recombinaison homologue est extrêmement précise et permet d'effectuer divers types de modifications de l'ADN : mutations ponctuelles (par exemple la mutation d'un nucléotide), insertion d'étiquettes moléculaires (par exemple l'insertion de tags pour la purification biochimique pour le suivi de la localisation cellulaire en imagerie), délétions, etc. En pratique, afin de modifier un gène par recombinaison homologue, il est nécessaire d'introduire dans les cellules : 1) la nucléase dirigée contre le gène à modifier et 2) un ADN donneur qui contient la modification d'intérêt (par exemple un tag) flanqué par des séquences d'ADN dites d'homologie (identiques aux séquences situées de part et d'autre du site de coupure par la nucléase) ; la jonction d'extrémités médiée par micro-homologie (appelée MMEJ pour microhomology-mediated end joining) : cette voie de réparation utilise des séquences homologues de 5-25 paires de bases de part et d'autre du site de coupure, ce qui entraîne des délétions flanquant la coupure initiale. ; la jonction d'extrémités non homologues (appelée NHEJ pour non-homologous end joining) : c’est un mécanisme de réparation d'une cassure d'ADN par re-ligation des extrémités. Ce type de réparation de l'ADN est fidèle par défaut mais est sujet à des erreurs.. Une réparation à l'identique rétablit le site de liaison à la nucléase, engendrant un nouveau cycle de réparation. Les cycles de coupure-réparation cessent à la suite d'erreurs de réparation sous la forme de petites insertions ou délétions (aussi appelés indels, dont la taille est typiquement de moins de 20 paires de bases).
vignette|416x416px|Génération de délétions et inversions à la suite de deux coupures sur un même segment d'ADN.Les mutations introduites via ces deux derniers processus, lorsqu'elles surviennent dans une séquence codante, permettent d'inactiver le gène correspondant. L'inactivation peut être complète si la taille des indels n'est pas un multiple de 3 (le code génétique fonctionne par triplets de nucléotides codant des acides aminés), ce qui entraine un décalage du cadre de lecture de la protéine. Si ce décalage survient suffisamment tôt dans la séquence codante, la perte de fonction peut être complète.
Le processus de jonction d'extrémités non homologues peut également être utilisé afin de générer des délétions ou inversions de segments d'ADN. Dans ce cas, deux nucléases coupant de part et d'autre d'un fragment d'ADN sont utilisées. Cela donne lieu à deux événements possibles de réparation : une perte (délétion) de l'ADN excisé ou une inversion de l'ADN suivie d'une re-ligation.
Les outils de base de la modification génomique : les ciseaux biomoléculaires Quatre familles de nucléases modifiées ont été développées en laboratoireK. M. Esvelt, H. H. Wang, « Genome-scale engineering for systems and synthetic biology », Mol. Syst. Biol., vol. 9, , 2013, p. 641 doi:10.1038/msb.2012.66. . .. : méganucléases (en anglais : engineered meganuclease re-engineered homing endonucleases) conçues par génie génétique pour reconnaître et cibler des séquences spécifiques du génome ; nucléase à doigt de zinc (en anglais : Zinc finger nucleases ou ZFNs). ; nucléases effectrices de type activateur de transcription (Transcription activator-like effector nuclease ou TALENs) ; Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats ou CRISPR/Cas system ; nucléase programmable naturellement présente chez de nombreuses espèces bactériennes, cet outil facile d'utilisation a conduit à une révolution technologique dès le début des années 2010.. Son immense potentiel a aussi déclenché une course aux brevets« Revolutionizing genome engineering: Review on history and future of the CRISPR-Cas9 system published », phys.org, 01/12/2014...
vignette|440x440px|Les principaux types de nucléases utilisées pour la modification ciblée du génome. Les 3 dernières génération de nucléases (ZFNs, TALENs et CRISPR/Cas) sont dites « programmables » car il est possible de définir la séquence d'ADN ciblée. Le système CRISPR/Cas est l'outil d'édition génomique majoritairement utilisé en recherche fondamentale et biomédicale car il est plus facile à programmer que les autres types de nucléases.
Ces outils biomoléculaires ont d’abord été utilisés (et ils le sont aujourd’hui couramment) pour l'analyse génétique, généralement afin de comprendre la fonction d'un gène, d'un groupe de gènes ou des protéines codées par ces gènes.
Chez certains modèles, la mise œuvre des outils de modification ciblée de l'ADN reste difficile. Dans de tels cas, les scientifiques utilisent des méthodes indirectes pour interférer avec l'expression des gènes telles que l'interférence par ARN (siRNA pour small interfering RNA), qui permet de réduire l'expression d'un gène d'intérêt. Cependant, les perturbations obtenues par les approches de siRNA sont souvent incomplètes, peuvent être instables au cours du temps et sont sujettes à d'importants effets indirects..
De surcroît, les approches de modification génomique permettent de modifier et donc d'interférer avec la fonction de séquences d'ADN impliquées dans la régulation de l'expression des gènes comme les amplificateurs transcriptionnels (enhancer en anglais), ce qu'il n'est pas possible de faire avec les approches par siRNA.
Les méganucléases