3: Un aperçu du génie génétique

Le génie génétique est l’altération délibérée de l’ADN d’un organisme. Les progrès dans ce domaine ont permis aux scientifiques de générer des cellules et des organismes génétiquement modifiés pour la recherche biomédicale et à des fins agricoles. Cependant, l’application des technologies génétiques à des fins thérapeutiques chez l’homme, connue sous le nom de thérapie génique, est encore en cours.

Dans cette vidéo, nous discuterons de certaines découvertes importantes dans l’histoire du génie génétique, des questions majeures étudiées aujourd’hui, des outils importants pour modifier le génome d’un organisme et de plusieurs applications de ces technologies.

Commençons par passer en revue l’histoire du génie génétique.

Scientifiques? La capacité de manipuler directement les gènes dépendait de la résolution de l’identité du matériel génétique. En 1928, Frederick Griffith a observé que l’injection d’un mélange de bactéries virulentes tuées par la chaleur et d’une souche vivante, mais non virulente, chez la souris entraînait une maladie, ce qui l’a amené à émettre l’hypothèse d’un « principe transformant » qui ont été transférés des morts aux bactéries vivantes.

En 1944, Oswald Avery, Colin Macleod et Maclyn McCarty ont identifié l’ADN de la bactérie comme responsable de cette transformation. Le résultat a été validé en 1952, lorsqu’Alfred Hershey et Martha Chase ont utilisé des bactériophages marqués radioactivement pour montrer que c’est l’ADN du virus, et non une protéine, qui a été transmis lors de son infection des cellules bactériennes.

Toujours en 1952, Joshua Lederberg a émis l’hypothèse de l’existence de plasmides, de petits morceaux d’ADN circulaires qui peuvent être transmis entre bactéries. À peu près à la même époque, il a également décrit la transduction, où les virus agissent comme des vecteurs pour transmettre l’ADN entre les cellules.

À partir de 1970 environ, des chercheurs comme Hamilton Smith ont commencé à découvrir certains des « outils » pratiques du génie génétique, comme les endonucléases de restriction, qui « coupent » ADN à des séquences spécifiques. À l’aide de ces outils, en 1972, Paul Berg a généré le premier « recombinant » En parallèle, Stanley Cohen et Herbert Boyer ont généré le premier organisme recombinant en plaçant un gène de résistance aux antibiotiques sur un plasmide et en transformant cette construction en la bactérie E. coli.

En 1973, Rudolf Jaenisch a créé le premier organisme multicellulaire transgénique, une souris contenant de l’ADN viral SV40, bien que ce ne soit qu’en 1981 que plusieurs autres laboratoires ont créé les premières souris transgéniques capables de transmettre les gènes insérés à leur progéniture. Au milieu des années 1980, Mario Capecchi et Oliver Smithies ont établi pour la première fois que la recombinaison homologue pouvait être utilisée pour cibler spécifiquement les gènes, et en 1989, ils ont utilisé cette méthode pour générer la première souris knock-out, où un gène est rendu non fonctionnel.

Ensuite, examinons quelques questions clés du génie génétique.

L’un des domaines de recherche essentiels consiste à déterminer la meilleure méthode pour modifier le génome d’un organisme. Un certain nombre de facteurs doivent être pris en compte, notamment l’efficacité du processus de modification, ainsi que la nécessité de cibler des gènes spécifiques pour minimiser les risques d’altérations involontaires de l’ADN cellulaire.

Afin de modifier le génome d’une cellule hôte, la séquence d’ADN assemblée artificiellement pour effectuer cette modification, connue sous le nom de « construction génétique », doit être livré avec succès dans cette cellule. La recherche dans ce domaine vise à maximiser l’efficacité tout en limitant la cytotoxicité. Au niveau de l’organisme, les chercheurs étudient comment modifier des vecteurs tels que des particules rétrovirales ou des nanoparticules pour améliorer la livraison de la construction aux populations cellulaires cibles.

Enfin, on s’intéresse beaucoup à la question de savoir si le génie génétique peut être appliqué avec succès à des utilisations agricoles ou thérapeutiques. Ces technologies ont été utilisées pour générer de puissants outils de recherche tels que des souris dont les gènes ont été supprimés ou « éliminés ». ou pour insérer des caractères simples et uniques tels que la résistance aux herbicides dans les cultures. Cependant, des problèmes complexes, tels que la génération de cultures qui prospèrent dans des conditions défavorables, nécessiteront probablement de modifier plusieurs voies simultanément. De plus, le développement de thérapies géniques pour traiter les maladies génétiques, nécessitant une administration sûre et efficace de constructions génétiques aux cellules humaines, reste une tâche difficile.

Jetons maintenant un coup d’œil aux outils et aux technologies de génie génétique utilisés par les chercheurs.

La méthode classique pour générer des constructions génétiques est le clonage basé sur des enzymes de restriction, où des morceaux d’ADN sont digérés puis recombinés dans un ordre spécifique à l’aide d’ADN ligases pour créer un nouveau plasmide. Les techniques plus récentes comprennent la recombinaison, qui utilise la recombinaison homologue pour isoler et échanger des fragments d’ADN sans avoir besoin de sites de digestion enzymatique de restriction.

L’ADN peut être délivré dans les cellules par un certain nombre de méthodes. La transformation ou transfection est le processus qui consiste à transformer de l’ADN nu en cellules bactériennes ou eucaryotes, respectivement. Les cations divalents, tels que le calcium, peuvent rendre les membranes cellulaires plus poreuses, ce qui augmentera l’absorption de molécules d’ADN exogènes. L’électroporation utilise un champ électrique pour accomplir la même tâche, tandis que les nanoparticules lipidiques qui entourent l’ADN peuvent fusionner avec la membrane cellulaire et libérer sa charge utile. La transduction fait référence au transfert d’ADN par un vecteur viral, tel qu’un lentivirus.

L’intégration de constructions génétiques dans des organismes multicellulaires nécessite des considérations supplémentaires. Lorsque plusieurs types de cellules sont présents, les vecteurs ciblés tels que les virus ou les nanoparticules augmentent la spécificité de l’administration cellulaire. Chez les plantes, les chercheurs ont coopté l’agrobactérie, un agent pathogène des plantes capable de transférer de l’ADN aux cellules végétales, comme outil de livraison de gènes. ? Biolistique ? fait référence à l’utilisation d’un « pistolet à gènes » pour délivrer des billes d’or recouvertes d’ADN dans les cellules.

Enfin, les constructions d’ADN délivrées doivent apporter des modifications permanentes au génome de l’hôte afin d’obtenir des effets à long terme. Cela peut se produire par l’intégration aléatoire de la construction d’ADN livrée dans l’ADN hôte, qui peut être améliorée par l’étiquetage de la construction avec des sites de reconnaissance pour l’ADN « copié-collé » enzymes appelées transposases. D’autre part, des techniques telles que le ciblage de gènes via la recombinaison homologue permettent une intégration dans des sites génomiques spécifiques. Les progrès récents des techniques connues sous le nom d’édition du génome, qui utilisent des nucléases conçues sur mesure pour générer des cassures double brin à des loci spécifiques, améliorent considérablement l’efficacité du ciblage des gènes.

Voyons maintenant comment les technologies de génie génétique sont appliquées aujourd’hui.

Les fonctions cellulaires chez les eucaryotes sont compartimentées en organites, et le ciblage de l’expression des protéines transgéniques sur des compartiments individuels peut permettre des effets biologiques plus spécifiques. Dans cette expérience, les chercheurs ont généré une construction de rapporteur marquée GFP à l’aide de la technique d’assemblage de Gibson, où des régions homologues de chevauchement entre plusieurs produits de PCR permettent de générer une construction complète sans utiliser d’enzymes de restriction. La transfection biolistique a été utilisée pour délivrer ces constructions dans les cellules végétales, et les chercheurs ont pu démontrer l’expression de la GFP ciblée sur le chloroplaste.

Les cellules cancéreuses surexpriment souvent les récepteurs de surface, que les chercheurs peuvent cibler à l’aide de la thérapie génique. Ici, les scientifiques ont établi un modèle de cancer de la vessie humaine chez la souris. Ceci est suivi par l’administration topique d’un vecteur adénoviral aux cellules cancéreuses de la vessie. L’observation de l’expression de la luciférase dans les cellules cancéreuses a indiqué une livraison réussie du gène rapporteur.

Enfin, des progrès sont réalisés dans l’ingénierie de voies biologiques complètes dans un organisme cible. Ici, chaque gène de la voie de biosynthèse de l’antibiotique érythromycine a été isolé de sa bactérie hôte, Saccharopolyspora erythraea, par PCR et combiné en constructions semblables à des opérons où une série de gènes sont placés sous contrôle par les mêmes éléments régulateurs pour permettre une expression optimale. Ces constructions ont ensuite été transformées en E. coli pour reconstituer la voie de synthèse, et le produit produit de manière hétérologue a ensuite pu être purifié et testé pour sa fonctionnalité.

Vous venez de regarder l’aperçu de JoVE sur le génie génétique. Dans cette vidéo, nous avons discuté de l’histoire du génie génétique, examiné les grandes questions, les outils dans le domaine et présenté plusieurs exemples d’applications du génie génétique. Comme toujours, merci d’avoir regardé !