Emmanuelle Charpentier et Jennifer Doudna ont reçu le prix Nobel en 2020 pour la mise au point de ce que l’on appelle les ciseaux moléculaires CRISPR-CAS9, un outil d’édition du génome très puissant. Cette découverte s’inspire du principe d’immunité adaptative utilisé par certaines bactéries et certaines archées pour se protéger des phages.

Les bactéries (et archées) gardent en mémoire dans leur génome les agressions auxquelles elles ont été soumises au moyen d’un chapelet de séquences ADN baptisé CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, ou Courtes Répétitions Palindromiques Groupées et Régulièrement Interespacées). Ces séquences comportent un court segment du génome du virus considéré, le spacer (quelques dizaines de paires de bases) et elles sont séparées par un motif particulier, le "short palindromic repeat" auquel l’acronyme CRISPR fait référence.

Nota : ce chapelet est situé à un locus bien précis du génome de la bactérie ou de l’archée.

L’immunité acquise chez les bactéries

La bactérie repère grâce à l'association de deux enzymes (CAS1 et CAS2, CAS est un acronyme qui signifie CRISPR associated) une séquence PAM (Protospacer Adjacent Motif) dans le génome du virus. La composition de cette séquence est variable suivant le type de bactérie mais sa longueur ne dépasse pas 6 paires de bases. L'enzyme CAS9 entre une première fois en action pour découper un fragment d'ADN de 20 à 40 paires de bases en aval de la séquence PAM, le protospacer. Il est inséré, avec une séquence dite de répétition, toujours la même, à la chaîne des autres segments "spacer + séquence de répétition" constituée par la bactérie lors d'agressions préalables ou héritée de ses ancêtres. L'accumulation de ces segments forme un chapelet qui est en quelque sorte une bibliothèque de fragments d'ADN viraux séparés par une séquence intercalaire, la "short palindromic repeat". C'est à cette chaîne que l'on a donné le nom de CRISPR.

Lors d'une nouvelle agression par un virus, une copie de la chaîne CRISPR est réalisée sous la forme d'une chaîne d'ARN complémentaires. Cette copie est ensuite débitée en tronçons constitués chacun d'un segment d'ARN complémentaire à l'un des fragments d'ADN viral de la bibliothèque CRISPR (crRNA : CRISPR RNA). Ce segment est hybridé avec une autre molécule d'ARN, appelée tracrRNA (trans activating crispr RNA). L'ensemble forme un ARN guide (gRNA).

Chaque ARN guide s'associe à une enzyme CAS9 et explore l'ADN agresseur. Lorsqu'une séquence complémentaire du crRNA de l'ARN guide précédée d'une séquence PAM est rencontrée, l'enzyme CAS9 sectionne la molécule d'ADN viral, ce qui le rend inopérant.

Nota : la combinaison crRNA + PAM permet d'éviter les automutilations de la chaîne CRISPR dans la mesure où les séquences de répétition ne comportent pas de séquence PAM en amont des segments d'ADN viral.

Ciseaux moléculaires

Les ciseaux moléculaires fonctionnent sur ce principe. Ils combinent un segment d’ARN correspondant à la cible visée, un ARN-guide et une enzyme CAS9. Emmanuelle Charpentier et Jennifer Doudna ont rendu le procédé plus efficace en combinant crRNA et tracrRN pour ne former qu’une seule molécule d’ARN guide. Le génie génétique permet de fabriquer des ARN guides correspondant à n’importe quelle séquence d’ADN et donc de couper une molécule d’ADN à la demande. Il est ensuite possible ensuite d’ajouter une séquence ADN intercalaire par recombinaison homologue et de produire ainsi une molécule d’ADN modifiée (augmentée).