Révolution Génomique : Découvrez les Enjeux Cruciaux et Perspectives de la Modification Génétique d'Embryon

Introduction

La modification génétique d'embryons suscite un débat passionné, oscillant entre espoirs de guérison de maladies héréditaires et craintes de dérives éthiques. Cet article explore les aspects scientifiques, éthiques et juridiques de cette technologie, en se basant sur les avancées récentes et les réflexions menées en France et à l'étranger.

La Modification Génétique : Un Aperçu Scientifique

La protéine fluorescente comme marqueur

L'expérience de modifier génétiquement des organismes n'est pas nouvelle. Elle a déjà été menée sur des porcs, des lapins, des souris et sur la drosophila melanogaster (dite mouche de vinaigre). Un scientifique américain, Eric Poeschla, de la Mayo clinic de Rochester (Minnesota), a cette fois produit trois chats domiestiques génétiquement modifiés fluorescents. Selon ses résultats, publiés dans le journal Nature Methods, ces animaux pourraient faire avancer la recherche sur le sida.

Mais comment rend-on un animal fluorescent? La protéine verte fluorescente (GFP) a été découverte en 1962 par le chimiste Osamu Shimomura alors qu’il cherchait à isoler les pigments bioluminescents de la méduse Aequorea victoria. Cette protéine renvoie une lumière légèrement verdâtre dès qu’on l’expose à la lumière du soleil, jaune sous une ampoule électrique et vert fluo sous une lampe à UV. Le gène de cette protéine peut être fusionné avec d’autres gènes et réintroduit dans des cellules ou dans un embryon, qui va alors la synthétiser. La protéine fluorescente peut servir de marqueur.

L'ADN Mitochondrial : Un Héritage Maternel

Les mitochondries sont des organelles présentes dans les cellules eucaryotes, levures, champignons, plantes, animaux. Les mitochondries sont les vestiges d’une infection endosymbiotique d’une archée bactérie (ou d’un proto-eucaryote) par une a-protobactérie aérobique, survenue il y a plus d’un milliard d’années. De ce fait, les mitochondries ont gardé des ressemblances avec les bactéries (taille, forme, ADN circulaire, reproduction par fission, ribosomes 70S, chaîne transporteuse d’électrons, etc.).

Elles possèdent leur propre génome, un ADN mitochondrial (ADNmt) circulaire d’environ 16500 paires de bases. Bien que possédant leur propre génome, les mitochondries sont constituées d’environ 1200 protéines différentes qui dans leur immense majorité (98%) sont codées par des gènes nucléaires. Seulement 13 des protéines présentes dans les mitochondries sont codées par l’ADN mitochondrial. Mais ces protéines jouent un rôle majeur dans la production de l’ATP, le carburant cellulaire. Outre cette fonction vitale et essentielle, les mitochondries jouent également un rôle important dans d’autres fonctions comme l’apoptose (mort cellulaire programmée), l’homéostasie du calcium, la synthèse des hèmes (hémoglobine, myoglobine, cytochromes) et des hormones stéroïdes.

Cette énergie est apportée par l’adénosine triphosphate (ATP) lors de cassure des deux liaisons entre les groupes phosphate de la molécule (voir ci-dessus). La synthèse de l’ATP nécessite une série de réactions de phosphorylation oxydative. La première étape est la glycolyse, c’est à dire la transformation du glucose en pyruvate qui a lieu dans le cytoplasme des cellules. Cette réaction fournit 2 molécules d’ATP et 2 molécules d’agent réducteur (RH2, NADH et FADH2). Le pyruvate entre dans la matrice de la mitochondrie et est pris en charge dans le cycle de Krebs (ou cycle de l’acide citrique) qui va générer 2 molécules d’ATP et 10 molécules d’agent réducteur (RH2). Ce sont ces agents réducteurs NADH et FADH2 qui vont alimenter la chaîne de phosphorylation oxydative en fournissant les électrons dont elle a besoin pour fonctionner, jusqu’à la production d’ATP par l’ATP synthase. NADH fournit ses électrons au complexe I et FADH2 au complexe II. Les électrons sont transportés vers le complexe III par le co-enzyme Q (Q) et vers le complexe IV (cytochrome C oxydase) par le cytochrome C. A chaque étape de ces réactions un proton (H+) est transféré dans l’espace intermembranaire de la mitochondrie et un gradient de protons se crée. C’est ce gradient de protons qui va activer l’ATP synthase (complexe V) pour produire un total de 32 molécules d’ATP à partir de la phosphorylation de l’ADP. Les complexes I à V sont constitués de 85 protéines, dont 13 sont codées par l’ADNmt, 7 dans le complexe I, 1 dans le III, 3 dans le IV, et 2 dans le V.

Contrairement à l’ADN nucléaire (chromosomes) qui est le résultat d’une combinaison entre l’ADN du père et l’ADN de la mère, L’ADN mitochondrial est transmis uniquement par la mère. Chez Caenorhabditis elegans (un minuscule ver très utilisé par les chercheurs comme eucaryote modèle), dès la fécondation de l’ovocyte, les mitochondries paternelles sont éliminées par autophagie, un processus complexe qui consiste à dégrader et éliminer toute structure biologique qui pourrait affecter la survie des cellules. Bien que ce processus n’ait jamais été démontré chez l’homme, l’absence de mitochondrie d’origine paternelle dans les cellules humaines suggére que ce processus est très ancien et a été conservé au cours de l’évolution. Ainsi, une mère portant une mutation dans son ADNmt peut la transmettre à toute sa descendance, filles et garçons, et seules les filles pourront à leur tour la transmettre à leur descendance. En revanche, les descendants de ses fils ne seront pas atteints par la maladie.

Comme l’ADN nucléaire, l’ADNmt est sujet à de multiples agressions par des agents internes (espèces réactives de l’oxygène, erreurs de transcription, etc.) et externes (radiations ionisantes, carcinogènes, etc.). Ces agressions se traduisent par des mutations ou délétions qui affectent d’une part les ARN mitochondriaux de transfert (codés par l’ADNmt) et d’autre part les protéines mitochondriales de la chaîne de transport d’électrons impliquée dans la production d’ATP. Ces mutations sur l’ADNmt sont plus fréquentes que les mutations affectant l’ADN nucléaire car elles ne sont pas aussi efficacement réparées. Elles peuvent se produire dans la lignée germinale primitive, dans les ovogonies (cellules souches de ovocytes) ou dans les ovocytes et transmises de façon héréditaire à la descendance. Elles peuvent également se produire dans des cellules somatiques (muscle, système nerveux central, etc.) durant le développement et s’accumuler avec l’âge (une des causes du vieillissement).

Plus de 250 mutations ou délétions ont été identifiées comme causes de maladies mitochondriales, et on estime qu’une personne saine sur 200 porte dans son ADNmt une des 10 mutations les plus fréquemment associées à ces maladies. Le génome mitochondrial est présent en une multitude de copies (plusieurs milliers) par cellules. De fait, deux situations sont possibles : homoplasmie ou hétéroplasmie. L’homoplasmie se réfère à la situation dans laquelle il n’y a pas d’accumulation significative de mutations. La séquence de toutes les copies de l’ADNmt est la même quelle que soit la nature du tissu ou des cellules. C’est le cas en général. A l’inverse, l’hétéroplasmie se manifeste par la présence dans les cellules de deux ou plusieurs copies différentes (ADNmt mutants) de l’ADNmt. Dans le cas d’une hétéroplasmie (et si l’ADNmt mutant est pathogène), il existe un niveau seuil au dessus duquel la maladie va apparaître. Ce seuil peut varier d’un malade à l’autre et d’un tissu à l’autre, d’un mutant à un autre, mais il est en général de l’ordre de 60-70% (c’est à dire que l’ADNmt mutant représente 60-70% de l’ADNmt total). La notion d’homoplasmie est cependant plus apparente que réelle. En effet, il serait naïf de penser que tous les génomes mitochondriaux d’un organisme sont identiques. En fait, l’ADNmt est sans cesse l’objet de mutations qui sont transmises par expension mitochondriale, ou éliminées par macro-autophagie des mitochondries. Le fait qu’on ne détecte pas de mutants de l’ADNmt dans un prélèvement ne signifie pas qu’ils ne soient pas présents dans d’autres tissus ou d’autres cellules mais peut-être simplement qu’on ne les a pas trouvés car en trop faible nombre.

Maladies Mitochondriales : Un Défi Thérapeutique

Les maladies mitochondriales touchent 1 naissance sur 4300 en Europe et aux USA. Elles affectent souvent plusieurs organes et en particulier les tissus dont le fonctionnement nécessite un fort apport énergétique comme le cerveau, les muscles, le cœur, le foie, etc. Elles sont généralement très hétérogènes associant surdité, cécité, faiblesse musculaire, insuffisance cardiaque, rénale, hépatique, autres. Etant donné les fonctions importantes que jouent les mitochondries dans les cellules et les tissus, on peut comprendre que toute atteinte à leur fonctionnement par le biais de mutations sur l’ADNmt aura des conséquences sévères sur la survie des personnes porteuses de ces mutations. Par ailleurs, étant donnée la présence des mitochondries dans tous les types cellulaires de l’organisme, on peut également comprendre que plusieurs organes seront touchés simultanément.

Ces maladies peuvent résulter :

Soit du fait de mutations dites “sporadiques” qui n’étaient pas présentes chez la mère, et qui sont apparues pendant la vie fétale (ovogonies) ou dans l’ovocyte qui a donné naissance à l’enfant.
Soit par des mutations dans des gènes nucléaires qui codent pour des protéines présentes dans la mitochondrie.

Parmi les exemples de maladies mitochondriales, on peut citer :

Syndrome de Leigh: mort prématurée. Encéphalopathie, faiblesse musculaire, cardiomyopathie, troubles gastrointestinaux, détresse respiratoire. Mutation dans le gène ATPase (8993 T>G). Autres mutations d’expression tardives (complexes I, IV et V et ARN de transfert de lysine, valine et tryptophane).
MELAS : Myopathie, encéphalopathie, acidose lactique, convulsions. Mutation dans le gène ARNt-Leu (3243A>G). Autres mutations dans d’autres ARNt.
NARP: Neuropathie, ataxie, rétinite pigmentaire. Mutation dans le gène ATPase (8993 T>G). Hétéroplasmie 60-90%.
LHON: Neuropathie optique héréditaire de Leber. Trois mutations possibles dans les gènes formant le Complexe I, 11778 G > A, 3460 G > A, ou 144484 T > C. Perte de vision rapide (qq mois). Parfois réversible.
MERRF: Myoclonie, epilepsie, ataxie, fibres musculaires anormales. Mutation dans le gène ARNt-Lys (8344A > G, ou m.8356 T>C).
Déficience infantile en Cyt C Oxydase (COX): hypotonie et faiblesse musculaire sévères, détresse respiratoire. Mutation dans le gène ARNt-Glu (14674 T>C). Affecte le gène codant pour la COX. Curieusement, cette maladie est réversible entre 5 et 20 mois.
Syndrome de Pearson: mort prématurée. Anémie sidéroblastique (globules rouges; défaut incorporation haeme dans hémoglobine), dysfonction du pancréas, foie et rein. Large délétion dans l’ADNmt (ovocyte ou embryon).
KSS (Kearns-Sayre Syndrome): Rétinite pigmentaire, ophthalmoplégie externe progressive, atteintes cardiaque et cérébrale; apparaît avant 20 ans. Large délétion dans l’ADNmt (Complexes I, ATPase, COX).

Techniques de Remplacement Mitochondrial

Plusieurs techniques de remplacement mitochondrial sont en développement pour prévenir la transmission de ces maladies. Parmi elles, on trouve :

Transfert de Karyoplaste :
1. L’ovocyte de la mère porteuse de la mutation est énucléé (on retire le noyau contenant les chromosomes).
2. Le karyoplaste de la donneuse est retiré et éliminé.
3. Le karyoplaste de la mère est inséré dans l’ovocyte énucléé de la donneuse.
4. L’embryon qui contient maintenant les mitochondries normales et les chromosomes de la mère et du père est implanté dans l’utérus de la mère.
Ainsi, des mitochondries (en faible quantité) pourraient être introduites dans l’ovocyte énucléé de la donneuse et venir contaminer les mitochondries normales.

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Transfert du Pronoyau :
1. Après fécondation, les pronoyaux (noyaux contenant l’ADN du père et de la mère) sont prélevés dans l’œuf de la mère et transférés dans l’œuf d’une donneuse dont on a retiré les pronoyaux.
2. 3.
3. 4.
Il est possible qu’au cours du prélèvement du pronoyau des zygotes de la mère, une partie du cytoplasme soit également prélevée (comme indiqué plus haut au sujet du transfert du karyoplaste). Ainsi, des mitochondries (en faible quantité) pourraient être introduites dans le zygote énucléé de la donneuse et venir contaminer les mitochondries normales.
Etant donné les risques de contamination mentionnés ci-dessus, une autre technique de transfert de mitochondrie est envisagée, le transfert du globule polaire 1.
Transfert du Globule Polaire 1 (GP1) :
Les cellules de la lignée germinale (2N chromosomes, un provenant de la mère et un du père et 2C chromatides, une copie ADN de chaque chromosome) chez la femme sont générées au cours de l’embryogénèse (5eme semaine de sa vie fétale) et se différencient en ovogonies (2N,2C) qui répliquent leur ADN pendant la vie fétale pour donner les ovocytes primaires (2N,4C). Juste avant ou au moment de la naissance, les ovocytes primaires entrent en méiose et restent bloqués en prophase jusqu’à la pubértée (2N,4C). Au moment de l’ovulation, l’ovocyte primaire se divise de façon assymétrique pour donner un ovocyte secondaire (1N, 2C) qui contient l’essentiel du cytoplasme (mitochondries notamment) et le globule polaire 1 (1N,2C) qui, au contraire, contient très peu de cytoplasme. Comme nous l’avons vu ci-dessus, l’ovulation de l’ovocyte primaire conduit à la formation du globule polaire 1. De nombreux travaux ont montré que ce globule polaire 1 possède un génome distinct de celui de l’ovocyte secondaire (du fait des recombinaisons génétiques) mais tout à fait normal.
1. L’ovocyte de la mère porteuse de la mutation est énucléé (on retire le noyau contenant les chromosomes).
2. Le karyoplaste de la donneuse est retiré et éliminé, ainsi que son GP1.
3. Le karyoplaste de la mère est inséré dans l’ovocyte énucléé de la donneuse.
4. L’embryon qui contient maintenant les mitochondries normales et les chromosomes de la mère et du père est implanté dans l’utérus de la mère.

Premiers Essais Cliniques

Le premier essai chez l’homme a été réalisé au Mexique par l’équipe médicale Américaine du Dr John Zhang du New Hope Fertility Center, New York, durant l’été 2015. Du fait que l’autorisation de pratiquer cette intervention n’avait pas encore été accordée aux USA par la Food and Drug Administration (FAD), l’autorité qui statut sur les essais thérapeutiques, l’essai a eu lieu dans une clinique au Mexique (à Guadalajara) où il n’existe pas de réglementation sur ce type d’intervention. L’opération a été pratiquée selon les règles d’éthique approuvées au Royaume Uni, premier pays ayant ouvert sa réglementation à ce type de thérapie. Les parents étaient un couple Jordanien dont la mère était porteuse (saine) de la mutation sur le gène ATPase conduisant au syndrome de Leigh. Rappelons que cette maladie est mortelle et que deux enfants de ce couple étaient déjà décédés à l’âge de 6 ans et 8 mois. Les parents ont souhaité que le remplacement mitochondrial soit réalisé par transfert de karyoplaste car cette méthode évite la destruction d’un embryon.

Un deuxième essai a été réalisé en Ukraine à Kyev par l’équipe du Dr Valery Zukin, de la Nadyia Clinic, au printemps 2016. Il n’existe pas de réglementation sur ce type d’intervention dans ce pays. Cette deuxième naissance soulève des questions d’éthiques. En effet, il s’agissait ici de corriger une infertilité par arrêt du développement embryonnaire du fait de mitochondries trop peu nombreuses, et non une maladie génétique. Le remplacement mitochondrial a été réalisé par transfert du pronoyau. L’enfant (une fille) est née le 5 janvier 2017. Elle est en bonne santé. Un autre enfant (un garçon) est né en Mars 2017.

Risques et Inconvénients

Les génomes nucléaire et mitochondrial ont évolué de concert depuis des centaines de millions d’années. Cette co-évolution a établi des interactions fonctionnelles entre les protéines issues de gènes nucléaires et les protéines issues des gènes mitochondriaux.

Lors du prélèvement du karyoplaste dans l’ovocyte de la mère ou du pronoyau dans le zygote issu de la fécondation de l’ovocyte de la mère, une (faible) partie du cytoplasme contenant les mitochondries mutées peut être entraînée et “contaminer” le nouvel embryon en s’y développant mieux que les mitochondries de la donneuse.

Enjeux Éthiques et Juridiques

Le Débat Bioéthique

En accordant son autorisation à la thérapie par remplacement mitochondrial, le gouvernement britannique s’est appuié sur le fait que cette thérapie ne modifie pas le génome nucléaire qui est le seul à définir les caractéristiques propres à l’individu (forme, traits et caractères individuels). De plus, l’autorisation a restreint la thérapie aux embryons filles. Dans un premier temps seuls des enfants males seront ainsi générés pour éviter tout risque de propagation à leur descendance si des problèmes encore inconnus devaient survenir sur le long-terme. La FDA (USA) a d’abord contesté les vues britanniques sur le fait que la thérapie par remplacement mitochondrial est une forme de modification du génome et a rejeté l’idée qu’il s’agissait d’un traitement. Dans un deuxième temps, la FDA accepta la possibilité de délivrer une autorisation après des études et une démarche conduites avec une “extrême prudence”. Cette thérapie affecte-t-elle l’identité numérique* ou l’identité qualitative** ? Pour la HFEA : seule l’identité qualitative est affectée (uniquement la prod…

Les Lois de Bioéthique

La question de la modification génétique d'embryons est encadrée par des lois de bioéthique, dont la première version date de 1988, modifiée en 1994 (révisée 2002). Ces lois visent à :

Protéger ceux qui ont besoin de l'être.
Garder malgré les lois de Bioéthique.
Respecter le corps humain et le respect de son corps.

Elles posent des principes fondamentaux tels que :

L'obligation de consentement préalable de la personne.
Le fait que le corps humain et ses éléments ne peuvent faire l’objet de brevet.
L'interdiction de choisir son enfant, sauf si le donneur de gamètes est le frère ou de soeur du donneur.
L'adage "qui ne dit rien consent".

Les lois de bioéthique autorisent la recherche sur l’embryon, mais uniquement si elle présente un bénéfice pour l’embryon.

Perspectives Juridiques Internationales

Au niveau international, différentes instances se penchent sur la question de l'édition du génome humain. L’Organisation mondiale de la santé forme actuellement un comité d’experts sur l’édition du génome humain, qui se réunira fin février 2019.

Autres considérations éthiques

Il est impératif de se pencher sur les problèmes éthiques. La société l’autorisera un jour?

Applications et Perspectives d'Avenir

Les découvertes scientifiques sont, par nature, impossibles à prévoir. La modification génétique d'embryons pourrait ouvrir des voies thérapeutiques pour traiter des maladies génétiques rares, dont 80% sont d’origine génétique. On connaît plus de 7000 maladies rares dont 80% sont d’origine génétique. Dans l’immense majorité des cas, les gènes incriminés se trouvent dans le noyau des cellules sur les chromosomes.

La thérapie génique apparaît aujourd’hui comme un axe de recherche prometteur pour traiter des maladies génétiques oculaires. Deux essais ont été récemment lancés à Nantes et à Paris, avec le soutien du Téléthon, chez des patients atteints de ces maladies rares. Un troisième devrait démarrer l’an prochain.

Le Rôle des Entreprises et de la Recherche

L’entreprise 23andMe a annoncé fin juillet un accord avec le géant pharmaceutique GlaxoSmithKline pour lui permettre d’accéder aux données génétiques de 3 millions d’Américains.

L’équipe du professeur Luc Douay, de la faculté de médecine Pierre-et-Marie-Curie, à Paris, a réussi à transfuser avec succès chez l’homme des globules rouges créés en laboratoire à partir de cellules souches.

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