Bâtir un meilleur moustique: l'identification des gènes de résistance Activation fièvre malaria et la dengue chez A. gambiae et A. aegypti

Je suis George Dimopoulos. Je suis professeur adjoint à l'École de santé publique Johns Hopkins, au sein du Département de Microbiologie moléculaire et d'Immunologie de l'Institut de recherche sur le paludisme. Mon équipe de recherche travaille sur le moustique et sur Gambia, qui transmettent le paludisme, et nous étudions la biologie moléculaire du moustique, en particulier son système immunitaire inné impliqué dans l'élimination des parasites du paludisme.

Nous souhaitons comprendre le fonctionnement de ce système immunitaire et identifier les gènes et les molécules importants pour la destruction du parasite. Nous pensons qu’en comprenant la biologie de ce système, nous pourrions utiliser ces connaissances pour élaborer des stratégies de lutte contre le paludisme à l’avenir. Le paludisme est l’une des maladies les plus graves au monde.

Il accompagne l’humanité depuis toujours, et c’est un véritable scandale que nous en soyons encore là. Le paludisme infecte 400 millions de personnes chaque année et tue 2 millions de personnes, principalement dans la région subsaharienne africaine, mais on le retrouve également dans d'autres pays en développement d'Amérique du Sud et d'Asie. Le paludisme est provoqué par un parasite protozoaire du genre Plasmodium, et quatre espèces de Plasmodium peuvent causer le paludisme humain.

Le plus important de ceux-ci est Plasmodium falciparum. Plasmodium falciparum est principalement transmis par des moustiques appartenant au genre Anopheles, et les moustiques vecteurs les plus importants pour la transmission du paludisme en Afrique subsaharienne appartiennent au complexe d'espèces Anopheles gambiae. Ils sont principalement répartis dans la région subsaharienne de l'Afrique. Le virus de la dengue est un flavivirus et il est principalement transmis par le moustique Aedes aegypti.

Sa répartition géographique est assez similaire à celle du paludisme. On la retrouve en Amérique, en Asie du Sud-Est et en Afrique. Le virus de la dengue provoque une fièvre hémorragique.

Environ 2,5 milliards de personnes sont exposées au risque de contracter le virus de la dengue, et ce virus provoque une fièvre hémorragique chez des millions de personnes chaque année. La fièvre hémorragique due à la dengue s'est imposée comme l'une des maladies transmises par des vecteurs les plus graves au cours des dix dernières années. Ainsi, le parasite du paludisme possède un cycle de vie complexe à la fois dans le vecteur moustique qui le transmet entre les hôtes humains et dans l'hôte humain.

Et mon groupe de recherche étudie la biologie de la transmission du paludisme chez le moustique. Lorsqu'un moustique ingère un repas sanguin infecté, il ingère également les parasites Plasmodium falciparum. Les gamétocytes du parasite s'y fécondent dans l'intestin moyen et produisent un oocyste ou kin à environ 18 à 35 heures après l'ingestion du sang.

Ces orkinines envahissent l'épithélium intestinal des moustiques ici. La majorité des orkinines sont éliminées par le système immunitaire du moustique à ce stade, et c'est précisément sur cette étape que portent nos études. Il s'agit également d'une image de microscopie confocale de l'or kinine ; les orkinines qui parviennent à traverser l'intestin moyen forment un kyste du côté basal ici, et c'est à l'intérieur de ce kyste que se développent des milliers de parasites à stade sporozoïte. Ces stades parasitaires se déplacent ensuite : environ 15 jours après que le moustique a pris son repas sanguin, ils migrent vers les glandes salivaires, et à partir de ces glandes, les sporozoïtes peuvent être transmis à un nouvel hôte. Le système immunitaire du moustique participe également à l'élimination des sporozoïtes à ce stade, lorsqu'ils sont libérés dans l'hémocèle du moustique.

Le génome des moustiques a été récemment séquencé en 2002, ce qui nous a permis de développer de nouveaux outils de biologie moléculaire et de génomique afin d'étudier l'expression génique de tous les moustiques, environ 14 000 gènes, dans différentes conditions d'infection à l'aide de puces à ADN, dites microarrays. Cette puce à ADN, que nous avons développée il y a quelques années, contient le transcriptome entier du moustique, c'est-à-dire tous les gènes du moustique connus à cette époque, ainsi que les gènes du parasite plasmodium. Nous pouvons donc analyser l'activité des gènes du moustique et du parasite simultanément pendant l'infection.

Une fois que nous avons identifié les gènes activés lorsque le moustique est infecté par des parasites plasmodium, nous devons tester si ces gènes participent à l'élimination du parasite, ce que nous faisons à l'aide d'une méthode appelée inhibition de gène par interférence ARN. Nous injectons essentiellement des ARN correspondant aux gènes que nous souhaitons cibler ; cet ARN double brin entraînera la dégradation des ARNm de ces gènes dans le moustique, empêchant ainsi la production des protéines correspondantes. Ensuite, nous infecterons le moustique avec un parasite.

À présent, si nous avons inhibé ou inactivé un gène particulier chez le moustique, et que, suite à cette inhibition, le parasite parvient à établir une infection plus importante que chez les moustiques non traités, cela suggérerait que ce gène est impliqué, d'une manière ou d'une autre, dans la destruction des parasites du paludisme. C'est précisément la méthode principale que nous utilisons pour déterminer si des gènes sont impliqués dans l'élimination des parasites chez le moustique.

La majorité des parasites du genre Plasmodium sont éliminés chez le moustique, et nous disposons de solides preuves que le système immunitaire inné du moustique est principalement responsable de cette élimination. Notre laboratoire ainsi que les laboratoires de nos collaborateurs ont identifié divers gènes impliqués dans ce processus. Des souches de moustiques sélectionnées génétiquement existent également et ne transmettent pas le paludisme, car elles éliminent tous les parasites dans l'intestin moyen grâce à des mécanismes de défense immunitaire innée.

Il semble que le moustique possède une variété de composants et de mécanismes différents pour cibler le parasite, et le plus grand défi aujourd'hui consiste à comprendre le fonctionnement de ces mécanismes et la manière dont nous pouvons les manipuler afin de développer des moustiques résistants. Le moustique GTI utilise des mécanismes différents pour contrôler l'infection par le virus de la dengue par rapport à ceux qu'utilise un affreux Gambia pour contrôler l'infection à odium. Le moustique aegypti, comme tous les eucaryotes, possède un mécanisme de défense dépendant de l'ARN appelé interférence par ARN.

Il s'agit fondamentalement d'un mécanisme de défense capable de cibler l'ARN viral dégradé, et ainsi de se protéger contre l'infection virale. Nous cherchons à comprendre ce mécanisme de défense, ainsi que la manière dont nous pouvons l'exploiter afin de générer des moustiques résistants au virus. Au cours des 10 dernières années, la biologie moléculaire a connu des progrès véritablement spectaculaires, principalement des avancées méthodologiques qui ont considérablement accéléré nos recherches.

L'un des principaux progrès réside dans les technologies de séquençage qui ont permis le séquençage à haut débit de génomes entiers. Grâce à ces technologies, nous disposons désormais des génomes complets séquencés d'*Anopheles gambiae* et d'*Aedes aegypti*, deux moustiques. Cela nous permet d'identifier beaucoup plus facilement que par le passé les gènes impliqués dans le contrôle des infections.

Une autre avancée très importante dans le domaine de la génomique fonctionnelle est l'analyse de l'expression génique à haut débit à l'aide de la puces à ADN. Les puces à ADN sont de petites lames de verre sur lesquelles des milliers de fragments d'ADN ont été immobilisés, et nous pouvons utiliser ces puces d'ADN, appelées puces à ADN, pour surveiller l'expression génique d'un très grand nombre de gènes. Une autre avancée très importante dans ce domaine est la méthodologie d'inhibition de l'expression génique par interférence ARN, qui nous permet de cibler des gènes et de les inactiver chez le moustique, et ainsi d'utiliser une approche dite de génétique inverse pour étudier la fonction des gènes et le rôle de nos gènes d'intérêt dans la destruction du parasite.

Les moustiques sur lesquels nous et nos collaborateurs avons mené la plupart de ces études proviennent de colonies de moustiques maintenues en conditions de laboratoire depuis jusqu’à 30 ans. Ces moustiques se sont évidemment fortement différenciés des moustiques que l’on trouve dans la nature. Les moustiques naturels subissent une pression sélective continue exercée par divers microbes et autres paramètres, qui varient considérablement sur le terrain, contrairement aux conditions relativement stables que nous avons en laboratoire.

Ainsi, on pourrait soutenir que nos études seraient probablement bien plus instructives si elles étaient réalisées directement sur des moustiques prélevés sur le terrain. Malheureusement, cela n'est pas aussi facile à mettre en œuvre. Comme mentionné, nous ne disposons pas des infrastructures nécessaires sur le terrain, et il est également très compliqué de collecter des moustiques sur le terrain et d'établir des colonies à partir de ces moustiques.

Par conséquent, les meilleurs modèles biologiques dont nous disposons actuellement sont les modèles de laboratoire, mais nous devrons bien sûr nous rendre sur le terrain à un moment donné afin de vérifier et de confirmer les principales découvertes issues de nos recherches menées avec nos moustiques de laboratoire. Nous savons que les systèmes de défense des moustiques participent à l'élimination des agents pathogènes humains que ces insectes transmettent. Dès lors, si nous parvenons à comprendre le mécanisme de cette élimination, quels gènes sont impliqués et quels mécanismes entrent en jeu, nous pourrions potentiellement les manipuler et utiliser cette manipulation pour développer des moustiques génétiquement modifiés incapables de transmettre l'agent pathogène.

Une fois que nous avons développé de tels moustiques génétiquement modifiés, nous pouvons commencer à réfléchir à la manière dont nous pourrions effectivement les introduire sur le terrain et en faire une espèce dominante face aux moustiques sensibles. Une stratégie largement discutée pour y parvenir consiste essentiellement à répandre des gènes de résistance dans les populations naturelles, des gènes qui rendraient les moustiques résistants aux agents pathogènes, et cela doit être réalisé grâce à des mécanismes d'entraînement génétique dits « genetic drive ». De nombreuses recherches sont aujourd'hui axées sur le développement de tels mécanismes d'entraînement génétique.

Il existe, bien sûr, de nombreuses considérations éthiques que l'on doit prendre en compte avant la libération de tout type d'organisme génétiquement modifié dans la nature. Il est important de se rappeler que la modification génétique se produit naturellement en permanence dans l'environnement. Concernant les trois mutations, il y a peu, très peu de raisons de penser que nous aboutirions à un moustique meilleur pour transmettre un pathogène ou possédant une autre caractéristique indésirable.

La pire chose qui pourrait arriver serait que l'agent pathogène développe une résistance à ce moustique transgénique à un moment donné, et nous devrions bien sûr effectuer de nombreux tests sur le terrain et de nombreuses expérimentations en laboratoire avant même d'envisager de relâcher un moustique génétiquement modifié dans l'environnement. Nous devrions également informer la population sur ces stratégies contrôlées et nous assurer que chacun se sente à l'aise et adhère à ce type de stratégie. De nombreux obstacles subsistent encore pour parvenir à une stratégie de contrôle des maladies fondée sur le blocage de l'agent pathogène dans le vecteur moustique.

Certains de ces obstacles sont liés à des questions techniques et à des problèmes expérimentaux que nous devons résoudre. L'un des obstacles est, par exemple, la mise au point de mécanismes de transmission génétique, des mécanismes qui permettraient efficacement à ces gènes de résistance de se répandre dans les populations. Le domaine scientifique de la biologie des vecteurs de maladies a connu des progrès considérables au cours des 10 à 15 dernières années, principalement en raison de la prise de conscience que la compréhension de la biologie des interactions entre insectes et agents pathogènes pourrait effectivement nous aider à élaborer des stratégies de lutte.

Cette reconnaissance a conduit à une augmentation du financement de la recherche dans ce domaine. Il est extrêmement important que ce financement se poursuive, ainsi que l'engagement, afin de maintenir l'élan que nous avons acquis et d'accomplir notre mission en comprenant la biologie des interactions vecteur-pathogène et la manière dont nous pouvons utiliser cette biologie pour élaborer des stratégies de contrôle des maladies.