Comprendre la réponse des coraux au changement climatique avec CRISPR/Cas9

Dimitri Perrin, Senior Lecturer, Queensland University of Technology, Line K Bay, Principal Research Scientist and Team Leader, Australian Institute of Marine Science, Phillip Cleves, Principal Investigator, Carnegie Institution for Science, and Jacob Bradford, Queensland University of Technology
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<span class="caption">La grande barrière de corail en Australie.</span> <span class="attribution"><a class="link rapid-noclick-resp" href="https://unsplash.com/photos/l77WKwkDpWQ" rel="nofollow noopener" target="_blank" data-ylk="slk:Stefano Borghi / Unsplash">Stefano Borghi / Unsplash</a>, <a class="link rapid-noclick-resp" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/" rel="nofollow noopener" target="_blank" data-ylk="slk:CC BY-SA">CC BY-SA</a></span>
La grande barrière de corail en Australie. Stefano Borghi / Unsplash, CC BY-SA

L’édition du génome avec CRISPR/Cas9 s’est imposé comme un outil inestimable pour l’étude des fonctions génétiques dans de nombreux organismes. Notre nouvelle étude, publiée dans les Comptes-rendus de l’Académie nationale des sciences des États-Unis d’Amérique (PNAS), démontre maintenant comment cet outil peut être utilisé pour identifier les gènes impliqués dans la capacité des coraux à résister au stress thermique.

Une meilleure compréhension de ces gènes peut permettre aux experts de prévoir la réponse naturelle des populations de coraux au changement climatique. Cela pourrait aussi guider les efforts visant à améliorer l’adaptation des coraux, grâce à l’élevage sélectif de coraux naturellement tolérants à la chaleur.

Un patrimoine en danger

La Grande Barrière de Corail est l’un des écosystèmes les plus impressionnants et les plus importants du monde. Elle s’étend sur plus de 2000 km et abrite plus de 600 coraux et 1600 types de poissons. Elle a une immense importance culturelle, en particulier pour les propriétaires traditionnels.

Elle est également cruciale pour des industries telles que le tourisme et la pêche. La Grande Barrière de Corail représente une valeur économique de plus de 6 milliards de dollars australiens (environ 3.7 milliards d’euros) et fournit plus de 64,000 emplois à l’économie australienne chaque année. Le réchauffement des eaux océaniques causé par le changement climatique conduit à la mortalité massive de coraux sur la Grande Barrière de Corail, ce qui menace de détruire cet écosystème précieux.

De nombreux efforts de recherche se concentrent sur la manière de prévenir la détérioration du récif en l’aidant à s’adapter et à se remettre des conditions qui le stressent. Comprendre les gènes et les voies moléculaires qui protègent les coraux du stress thermique sera essentiel pour atteindre ces objectifs.

Les hypothèses ne manquent pas, mais les tests génétiques rigoureux sont restés difficiles, en grande partie à cause du manque d’outils pour déterminer la fonction des gènes chez les coraux.

La révolution CRISPR

Au cours des huit dernières années, CRISPR/Cas9 est devenu un outil puissant pour étudier la fonction des gènes dans divers organismes, et deux de ses pionnières viennent de recevoir un prix Nobel pour récompenser ces travaux. CRISPR/Cas9 permet aux scientifiques d’apporter des modifications précises à l’ADN génomique d’un organisme cible en coupant puis en réparant l’ADN pour soit inactiver un gène cible, soit introduire ou remplacer un morceau d’ADN souhaité. Ceci est réalisé par la protéine Cas9 qui est responsable de la coupe de l’ADN et un ARN guide programmable qui dirige cette protéine Cas9 vers une position d’ADN particulière qui est censée être coupée.

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Dans un précédent article publié en 2018, nous avons montré qu’il était possible de faire des mutations précises dans le génome du corail en utilisant CRISPR/Cas9, mais nous n’avions pas été en mesure de générer suffisamment de mutations pour étudier la fonction des gènes. Dans le nouvel article publié dans PNAS, nous avons utilisé une méthode CRISPR/Cas9 améliorée et avons pu tester la fonction d’un régulateur de la réponse au stress thermique (Heat Shock Transcription Factor 1, HSF1). Nous avons démontré un fort effet de ce gène sur la tolérance à la chaleur chez le corail Acropora millepora.

Notre hypothèse selon laquelle ce gène jouerait un rôle important dans la réponse thermique des coraux se basait sur le rôle de ce gène dans des organismes modèles tels qu’une anémone de mer. Des recherches antérieures avaient également démontré que HSF1 pouvait influencer un grand nombre de gènes de réponse thermique, agissant comme une sorte d’interrupteur principal pour les activer.

En désactivant cet interrupteur principal, nous nous attendions à voir des changements significatifs dans la tolérance à la chaleur des coraux. Notre prédiction s’est avérée exacte.

Ce que nous avons découvert en injectant les œufs

Nous avons engendré des coraux à l’Institut australien des sciences marines (AIMS) lors de l’événement annuel de « ponte en masse » en novembre 2018. Nous avons ensuite injecté des composants CRISPR/Cas9 dans des œufs de corail fertilisés pour cibler le gène HSF1 dans le corail Acropora millepora.

Nous avons pu démontrer un fort effet de HSF1 sur la tolérance à la chaleur des coraux. Plus précisément, lorsque ce gène a été muté à l’aide de CRISPR (et n’est plus fonctionnel), les coraux étaient plus vulnérables au stress thermique. Les larves avec des copies éliminées de HSF1 sont mortes dû au stress thermique lorsque la température de l’eau a été augmentée de 27℃ à 34℃. En revanche, les larves avec le gène fonctionnel ont bien survécu dans l’eau plus chaude.

Ne brûlons pas les étapes

Il peut être tentant maintenant de se concentrer sur l’utilisation d’outils d’édition du génome pour concevoir des souches de coraux résistantes à la chaleur, afin d’accélérer l’adaptation de la Grande Barrière de Corail au réchauffement des eaux. Cependant, le génie génétique doit avant tout être utilisé pour accroître nos connaissances sur la biologie fondamentale des coraux et autres organismes récifaux, y compris leur réponse au stress thermique.

Non seulement cela nous aidera à prédire avec plus de précision la réponse naturelle des récifs coralliens au changement climatique, mais cela mettra également en lumière les risques et les avantages de nouveaux outils de gestion des coraux, tels que l’élevage sélectif. Nous espérons que ces connaissances génétiques fourniront une base solide pour les futurs efforts de conservation et de gestion des récifs.

La version originale de cet article a été publiée sur La Conversation, un site d'actualités à but non lucratif dédié au partage d'idées entre experts universitaires et grand public.

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Line K Bay receives funding from AIMS, the Reef Restoration and Adaptation Program, the Great Barrier Reef Foundation, the National Environment Science Program and the Agouron Institute.

Phillip Cleves receives funding from the Carnegie Institute for Science.

Jacob Bradford ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d&#39;une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n&#39;a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.