La vraie thérapie génique

Des maladies génétiques, il en existe des milliers. Dans les plus connues et qui condamnent à relativement brève échéance (quelques années à quelques dizaines d’années), on peut citer la mucoviscidose ou encore la maladie de Huntington (N°13 dans Dr House pour ceux qui connaissent ).

J’ai choisi de vous parler de la myopathie de Duchenne. Il s’agit d’une maladie neuromusculaire.

Les différents types de maladies neuromusculaires

Les maladies neuromusculaires sont - comme leur nom l’indique - des maladies des muscles ou bien de la partie du système nerveux chargée de générer ou de transmettre l’information motrice.

Schématiquement, la voie motrice contient les structures suivantes :

• les aires motrices primaires, situées dans la partie postérieure du lobe frontal du cerveau. C’est de là que naît le mouvement. Une atteinte de cette zone empêchera tout ou partie des muscles de fonctionner correctement. C’est ce que l’on appelle une neuropathie centrale (c’est un terme générique, il existe beaucoup de maladies dans cette catégorie).
• les fibres nerveuses motrices (ou motoneurones) partent des aires motrices primaires, font un relai au sein du tronc cérébral (qui est situé dans la partie basse du crâne qui fait le lien entre le cerveau et la moelle épinière) puis descendent le long de la moelle épinière dans sa partie antérieure. L’ensemble (ou presque) de ces fibres forme le faisceau pyramidal. Une atteinte de ce faisceau (le plus souvent traumatique, suite à un accident de la circulation par exemple) donne une également neuropathie centrale (parce que la moelle épinière fait partie du système nerveux central au même titre que le cerveau et le tronc cérébral).
• Au niveau de chaque vertèbre, la moelle épinière va donner des nerfs qui vont aller innerver les muscles. Par exemple, au niveau des dernières vertèbres cervicales (situées à la base du cou) vont naître plusieurs nerfs qui sont chargés d’innerver les muscles des bras. Une maladie touchant un nerf s’appelle une neuropathie périphérique (parce que les nerfs font partie du système nerveux périphérique).
• Le nerf arrive au niveau du muscle qu’il innerve et le contact entre les deux se fait par le biais d’une zone qui s’appelle la jonction neuromusculaire. Son rôle : transmettre l’information nerveuse jusque dans les fibres musculaires. Les maladies de la jonction neuromusculaire sont appelées des myasthénies.
• Enfin, les maladies du muscle lui-même sont appelées des myopathies.

La myopathie de Duchenne

Parmi les myopathies, la myopathie de Duchenne est la plus grave. Elle touche un gène qui code pour une protéine appelée la dystrophine (c’est pour cela qu’on l’appelle aussi la dystrophie de Duchenne¹). Les mutations sont si graves que la protéine n’est pas du tout exprimée.

Le gène de la dystrophine est porté par le chromosome X (un des deux chromosomes sexuels). Les hommes ne possédant qu’un seul chromosome X, si la mutation est présente ils sont forcément atteints. Les femmes possédant deux chromosomes X, il faut que les deux soient atteints pour qu’elles aient la maladie (ce qui est rarissime) ; elles sont le plus souvent porteuses saines. Cette position particulière du gène explique pourquoi les enfants touchés sont en immense majorité des garçons.

La dystrophine est une protéine qui joue un rôle majeur dans le maintien de l’intégrité musculaire. Son absence conduit à une destruction progressive du tissu musculaire par nécrose.

Les enfants atteints de myopathie de Duchenne manifestent des troubles de la marche dès 2–3 ans (le diagnostic est souvent posé à cet âge-là, l’enfant présentant des difficultés à se relever), doivent se déplacer avec un fauteuil roulant à partir de 10–12 ans. Ils deviennent ensuite tétraplégiques au cours de l’adolescence puis décèdent vers 25 ans d’une insuffisance respiratoire provoquée par une atteinte des muscles de la respiration.

Cette chronologie est une évolution sans traitement, aujourd’hui de nouvelles thérapeutiques permettent d’allonger voire de quasiment doubler l’espérance de vie des patients et - à terme, en tout cas on l’espère - de les guérir complètement.

Le fonctionnement du génome

On en a tous entendu parler au collège de manière plus ou moins approfondie, mais une piqûre de rappel ne fait jamais de mal.

Notre corps est constitué de milliards de cellules qui forment des organes. Ces cellules fonctionnent grâce à de très grosses molécules que l’on appelle des protéines. Les protéines sont au cœur du fonctionnement des cellules et y sont extrêmement polyvalentes : elles permettent de synthétiser l’énergie nécessaire au fonctionnement de la cellule, de communiquer au sein d’une même cellule ou avec d’autres cellules, elles font office de récepteur pour les hormones qui transitent par le sang, etc. Bref, il existe une quantité faramineuse de protéines différentes : elles ont des rôles innombrables et sont donc absolument indispensables au bon fonctionnement des cellules.

Toutes ces protéines sont conçues à partir de briques de bases que l’on appelle les acides aminés et qui, mis bout à bout dans un certain ordre, permettent de former une protéine particulière avec un rôle particulier. Cependant, mettez un acide aminé au mauvais endroit et tout l’édifice peut s’écrouler : la protéine sera instable ou n’aura pas le rôle escompté.

Pour éviter cela, il est nécessaire d’avoir un plan précis pour construire les protéines. Ce plan, c’est le génome.

Au centre de chaque cellule (enfin pas toujours au centre et pas dans toutes les cellules, mais la plupart du temps !), il existe un compartiment particulier qui s’appelle le noyau. Dans le noyau se situent 23 paires de chromosomes : 22 paires de chromosomes dits autosomes et 1 paire de chromosomes sexuels (XY si vous êtes un homme, XX si vous êtes une femme).

Ces chromosomes sont chacun formés d’une très longue molécule qui s’appelle l'ADN (pour Acide Désoxyribonucléique). L’ADN a une forme en hélice double brins caractéristique.

L’ADN contient des gènes. Certains gènes sont des plans de construction d’une protéine. Ces gènes sont appelés gênes codants pour des protéines¹.

Des protéines (oui, encore : elles sont partout !), que l’on appelle les ARN polymérases, scannent le génome et quand elles repèrent un gène codant pour une protéine, elles vont synthétiser une version de ce gène sous forme d'ARN (Acide Ribonucléique) qui n’est constitué cette fois-ci que d’un simple brin. Il existe plusieurs types d’ARN qui ont des fonctions différentes, celui qui porte l’information génétique en dehors du noyau est appelé ARN messager ou ARNm. Cette étape s’appelle la transcription.

L’ARN sort ensuite du noyau direction une région précise de la cellule qui s’appelle le ribosome. Ici, l’ARN va être lu et à partir des informations qu’il contient, le ribosome va synthétiser une protéine. Cette étape s’appelle la traduction.

Tout ceci est une mécanique bien huilée, mais il peut arriver pour des raisons diverses et variées que le génome subisse une modification au niveau d’un gène, que l’on appelle une mutation génétique. Il en existe plusieurs types différents, plus ou moins embêtantes. Certaines n’ont pas d’impact, d’autres vont déformer une protéine la rendant moins efficace, d’autres encore sont si graves que la protéine formée est dans l’incapacité totale de remplir son rôle et peut se dégrader.

Mais comment guérir une maladie quand c’est l’ADN lui-même qui est corrompu ? Eh bien tout « simplement » (entre guillemets car ça n’a absolument rien de simple), en modifiant l’ADN : c’est ce que l’on appelle les thérapies géniques.

Accéder au génome

Le premier problème et pas des moindres, c’est d’accéder au génome. En effet, celui-ci est dans un noyau qui lui-même est dans une cellule. La cellule et le noyau sont tous les deux constitués d’une membrane qui est spécifiquement conçue pour ne pas être facilement franchissable (surtout celle du noyau) et ne laisser passer que certains éléments très précis.

Il existe cependant des organismes spécialistes pour ce qui est de pénétrer à l’intérieur des cellules : les virus. Un virus est micro-organisme constitué d’un peu de matériel génétique et de quelques protéines virales à l’intérieur d’une enveloppe (ou capside). Contrairement à une bactérie, le virus n’est pas capable de se répliquer par lui-même : il va envahir une cellule, y déverser son matériel génétique et pirater le système de synthèse protéique de la cellule pour qu’au lieu de produire des protéines cellulaires, elle se mette à produire des protéines virales en série. Les protéines se regroupent, des capsides se forment autour et voilà de nouveaux exemplaires de notre virus prêts à aller infecter d’autres cellules.

Il existe une très grande diversité de systèmes de réplication virale : la plupart des virus se contentent de déverser leur matériel génétique dans le ribosome qui va aussitôt produire des protéines virales. Mais certains virus plus complexes sont capables d’injecter leur matériel génétique dans le noyau d’une cellule, celui-ci s’intègre au génome de la cellule puis suit le cycle classique de synthèse de protéine (transduction en ARN messager puis traduction en protéine dans le ribosome).

C’est le mode de fonctionnement de certains virus de la famille des lentivirus (famille à laquelle appartient le tristement célèbre VIH qui donne le SIDA). Ce sont donc souvent ces lentivirus rendus inoffensifs que l’on utilise en tant que vecteurs viraux pour injecter le matériel génétique qui nous intéresse au cœur des cellules (mais ce ne sont pas les seuls vecteurs viraux).

Les ciseaux moléculaires

Bon, on sait comment atteindre le génome. Le problème c’est que les lentivirus que l’on utilise ce sont des bourrins : à l’état naturel ils prennent leur matériel génétique et l’insèrent un peu n’importe où dans le génome cible. Pour nous qui souhaitons au contraire réparer un gène bien précis, ce n’est guère intéressant. Il faut trouver un moyen de cibler la modification.

Ce moyen s’appelle CRISPR-Cas9 (« crispeure-casse-naïne »). CRISPR-Cas9 est une protéine qui nous vient d’une bactérie (Streptococcus pyogenes si vous voulez tout savoir) et qui est capable de couper le génome à un endroit très précis. CRISPR-Cas9 utilise un guide ARN qui lui permet de savoir où couper (elle coupe la séquence ADN correspondant au guide ARN). Il suffit donc de modifier le guide pour que CRISPR-Cas9 puisse couper où l’on veut dans le génome.

CRISPR-Cas9 a été découverte par une chercheuse française, Emmanuelle Charpentier, en collaboration avec une chercheuse américaine, Jennifer Doudna. Cette découverte leur a octroyé le prix Nobel de chimie en 2020.

CRISPR-Cas9 est une découverte révolutionnaire, probablement l’une des plus importantes du 21e siècle. Avant ça, les outils d’édition de génome étaient beaucoup moins efficaces, beaucoup moins précis (et donc beaucoup plus risqués) et surtout, beaucoup plus chers. En effet, jusque là, à chaque fois que l’on voulait couper le génome à un endroit précis, on était obligés de modifier la protéine utilisée (ce qui est relativement complexe et coûteux). Avec CRISPR-Cas9, il suffit de modifier le guide ARN.

Une fois l’ADN coupé, il est réparé. Pour cela il existe plusieurs techniques. L’une d’elle permet de réparer l’ADN en recollant simplement l’extrémité avant la séquence supprimée avec l’extrémité d’après (c’est ce qu’on appelle la jonction d’extrémités non homologues). Cette technique permet de retirer un gène. Une autre technique permet de remplacer la séquence coupée par une séquence fournie (et cela se nomme la recombinaison homologue).

Quels espoirs pour la myopathie de Duchenne ?

Tous les espoirs sont permis, y compris celui - à terme - de guérir cette maladie. Mais pour l’heure, nous n’y sommes pas encore : la recherche médicale avance, mais elle avance lentement.

Il existe globalement trois types de traitements complémentaires pour la myopathie de Duchenne :

• permettre aux cellules musculaires de produire de la dystrophine. Il existe pour cela plusieurs techniques, l’une d’elles est la thérapie génique.
• régénérer les muscles grâce à des cellules souches qui sont ensuite capables de former des fibres musculaires saines.
• traiter les symptômes annexes (fibrose qui devient nécrose, inflammation…) pour limiter les conséquences liées à la destruction de la protéine.

La thérapie génique

L’un des médicaments qui fait le plus parler de lui ces derniers temps (car l’essai international a démarré en avril 2021) est développé par la société Généthon et sobrement baptise GNT-004.

L’idée c’est d’insérer dans l’organisme le code génétique d’une version fonctionnelle de la dystrophine permettant à la cellule d’en produire. Problème : le gène qui code pour la dystrophine est immense (2,3 millions de paires de bases). En raison de sa taille, il est pour le moment impossible d’insérer la séquence correcte en entier².

Pour contourner cette difficulté, on utilise une protéine qui s’appelle la micro-dystrophine : c’est une version de la dystrophine beaucoup plus petite mais à peu près fonctionnelle. C’est en observant les différentes formes de la dystrophie de Becker (la version allégée de la dystrophie de Duchenne, dans laquelle la dystrophine est seulement altérée et non pas absente) que les chercheurs ont réussi à déterminer quelles étaient les séquences de la protéine indispensables à son fonctionnement et devaient former la micro-dystrophine.

Ce médicament utilise un vecteur viral qui est un adénovirus modifié. En revanche, il ne fait pas appel à la technologie CRISPR-Cas9 : l’approche est différente et consiste à entourer l’ADN délivré d’une séquence particulière que l’on appelle un promoteur et qui permet d’ordonner à la cellule de fabriquer la protéine associée au code génétique.

Le premier patient concerné par cet essai clinique est un français qui a reçu l’injection à l’hôpital Trousseau à Paris, courant avril 2021. Il est bien entendu encore beaucoup trop tôt pour s’avancer sur une quelconque efficacité, il faudra pour cela attendre la publication des résultats.

Il existe d’autres molécules avec le même principe qui en sont à des stades d’avancement à peu près similaires.

Le saut d’exon

Le saut d’exon est une autre technique qui n’est stricto sensu pas une technique de thérapie génique mais plutôt de modification de l’expression du gène : le code génétique de la protéine ne change pas, mais on va changer la façon dont la cellule le comprend et l’interprète.

Les médicaments qui exploitent cette technique agissent au niveau de l’ARN messager qui est synthétisé à partir du gène codant pour la dystrophine (DMD). DMD est composé de plusieurs séquences que l’on appelle des exons. Le principe du saut d’exon est d’injecter un ARN qui va interagir avec l'ARNm et faire en sorte que lors de la synthèse protéique, l’exon dysfonctionnel soit sauté, donnant ainsi une protéine plus courte mais fonctionnelle (un peu comme la micro-dystrophine).

À l’heure actuelle, il existe des essais cliniques prometteurs. Un médicament utilisant cette approche, l'Eteplirsen, est actuellement en essai (il vise l’exon 51 de la protéine). En phase II il a montré un effet de détérioration moins important de la fonction respiratoire, mais malgré ça, les résultats restent encore trop modestes pour conclure à un effet significatif.

Et CRISPR-Cas9 dans tout ça ?

Tous les thérapeutiques d’édition génomique ne font pas usage de CRISPR-Cas9 et de façon plus générale, toutes les techniques de thérapie génique ne font pas forcément appel à l’édition génomique. (GNT-004 dont nous avons parlé un peu plus haut par exemple est une thérapie génique mais avec une autre approche.)

Toutefois, étant donné les promesses associées à cette nouvelle technologie, il est légitime de se demander s’il existe des recherches concernant la myopathie de Duchenne dans ce champ. Et c’est le cas ! CRISPR-Cas9 étant très récente, les essais sont encore en phase préclinique (sur des modèles cellulaires puis animaliers), mais les résultats sont impressionnants : on parle de guérisons partielles.