Petits ARN interférents, une technique d’avenir pour la bio résistance

C’est en 1990, dans le laboratoire du DNA Plant Technology à Oakland, en Californie, que les petits ARN interférents se dévoilent alors que le biologiste Richard Jorgensen cherche à rendre des fleurs de pétunias pourpres encore plus foncées. Il introduit dans leur génome une copie supplémentaire du gène codant le pigment et obtient chez certaines plantes… des pétales blancs ! Sans le savoir, le scientifique a réalisé la première expérience d’interférence ARN in vitro : il a réduit l’expression du gène de couleur de certains pétunias au silence. Mais le phénomène est loin d’être compris. Et il faudra attendre les recherches effectuées parallèlement par les généticiens américains Fire et Mello – prix Nobel pour ces travaux en 2006 – sur le ver microscopique Caenorhabditis elegans, et le biologiste végétal anglais David Baulcombe sur les plantes pour percer le mystère de ce phénomène d’inactivation génique d’interférence par ARN : de petits ARN se lient à une séquence complémentaire sur un ARN messager et déclenchent sa dégradation ou son inhibition, empêchant la traduction et la synthèse de la protéine correspondante.

Un phénomène naturel de protection de la plante

Mais ce phénomène des ARN interférents, aujourd’hui utilisé comme une technique, est d’abord un mécanisme naturel de protection de la plante. « C’est un phénomène qui s’est mis en place à l’origine pour permettre d’éliminer des ARN invasifs. Quand un virus rentre dans une cellule, il active la machinerie de production de petits ARN dans le but de détruire l’ARN du virus. Il n’y a pas chez les plantes de système immunitaire qui repose sur des anticorps donc la seule façon de bloquer le virus est de produire des petits ARN qui vont détruire le virus. Comment faire pour détruire spécifiquement l’ARN du virus ? C’est là que la cellule est "intelligente", c’est-à-dire que la meilleure façon d’être spécifique est d’utiliser l’ARN du virus lui-même, de le découper en petits morceaux et d’utiliser ces tout petits morceaux d’ARN comme une arme pour détruire les grands ARN », détaille Hervé Vaucheret, directeur de recherche à l’INRA, spécialiste de la génétique des plantes et d’épigénétique. Ce mécanisme ancestral se retrouve d’ailleurs chez tous les eucaryotes. Par ailleurs, certains petits ARN sont endogènes : produits intrinsèquement et non en réaction à un pathogène, ils sont spécifiquement dirigés contre certains ARN codant des protéines.

Des outils puissants d’inactivation des gènes

Ce phénomène des ARN interférents, aujourd’hui utilisé comme une technique, est d’abord un mécanisme naturel de protection de la plante

Or, ces petits ARN, au même titre que les grands, se révèlent participer activement au mécanisme d’ajustement de régulation de l’expression des gènes. « Le génome entier est transcrit par ces petits et grands ARN. Il y en a une infinité. On parlait d’ADN “poubelle” pour expliquer ce qu’il y avait entre les gènes. Or, il s’agissait de ces séquences régulatrices qui produisent toutes des ARN, grands ou petits. La recherche fondamentale travaille encore activement à la compréhension des rôles de tous ces ARN non codants qui sont beaucoup plus nombreux que les ARN codant les protéines », précise Hervé Vaucheret. À titre d’exemple, une plante modèle comme Arabidopsis – qui ressemble au chou ou à la moutarde – contient environ 25 000 gènes qui codent des ARN messagers produisant des protéines, identiques dans toutes les cellules, contre plusieurs millions d’ARN non codants différents !

Synthétisés expérimentalement, ces petits ARN s’avèrent être de puissants outils d’inactivation des gènes en biologie moléculaire. « Beaucoup de questions se posent mais les petits ARN demeurent à ce jour la seule manière de se débarrasser d’un virus chez les plantes comme chez les mammifères. C’est donc une technique très prometteuse, à condition d’être spécifique, d’arriver à faire produire les petits ARN en quantité suffisante au bon endroit et d’éviter les effets secondaires sur l’hôte qui les exprime et sur les éventuels organismes qui peuvent interagir avec l’hôte », résume Hervé Vaucheret.

De la transgénèse classique…

La mise en œuvre de cette technique se partage entre deux grandes approches. La première, stable, est la transgénèse classique. « Les petits ARN interférents sont intégrés directement dans le génome de la plante. La plante transgénique produit alors une certaine quantité d’ARN interférents qui permettront d’inhiber les ARN messagers ciblés », précise Agnès Ricroch, spécialiste en génétique évolutive et amélioration des plantes à AgroParisTech. Plusieurs cultures ont déjà été développées à l’aide de cette technique, notamment pour la résistance aux virus avant 2013 : la papaye contre le virus de la tache annulaire, autorisée au Japon et au Canada, le prunier contre le virus de la sharka, déréglementé aux Etats-Unis ou encore le haricot contre le virus de la mosaïque, approuvé au Brésil. D’autres, destinées à modifier les qualités nutritionnelles des plantes, ont été commercialisées depuis. Citons par exemple la luzerne fourragère à teneur réduite en lignine – afin de faciliter sa digestion par le bétail – développée par Monsanto et Forage Genetics International, dérégulée par le département de l’Agriculture des États-Unis (USDA) en novembre 2014. Ou encore la pomme Arctic, modifiée pour ne pas « brunir » une fois épluchée, sur le marché aux États-Unis et au Canada depuis début 2015.

Par ailleurs, de nombreux travaux de recherche et développement sont en cours pour permettre aux plantes de mieux résister aux stress biotiques (virus, insectes, nématodes, champignons, plantes parasites), aux stress abiotiques (sécheresse) ou pour modifier leurs qualités nutritionnelles.

…au pesticide pas comme les autres

L’autre approche, encore au stade expérimental et essentiellement adaptée à la lutte contre les bio-agresseurs, consiste à épandre les ARN interférents directement sur les plantes, à l’image d’un pesticide. Deux solutions sont envisagées. La première prévoit la vaporisation de petits ARN interférents cultivés en laboratoire à la surface des plantes. « Une telle approche n’est pour l’instant réalisée qu’à des quantités très faibles à destination de la recherche. Sa mise en œuvre à grande échelle demeure hypothétique. Mais elle permettrait d’être hors catégorie OGM puisque la technique est censée ne pas avoir d’effet sur la plante », précise Marcel Kuntz, directeur de recherche au CNRS dans le laboratoire de Physiologie Cellulaire Végétale.

Des petits ARN permettraient d’être hors catégorie OGM puisque la technique est censée ne pas avoir d’effet sur la plante

La seconde quant à elle envisage l’utilisation de vecteurs, des bactéries génétiquement modifiées, contenant les ARN interférent. Dans cette situation, les petits ARN, sans pénétrer dans les chromosomes contrairement à un OGM classique, sont intégrés de façon transitoire aux cellules de la plante qui les éliminera après un certain temps. « Si l’épandage est réalisé au moment où l’insecte attaque, il y aura suffisamment de petits ARN dans la plante pour tuer l’insecte. Cette technique fonctionne bien sur les dicotylédones comme le tabac mais ça marche moins bien sur le maïs : ça va être au cas par cas en fonction de la plante, de l’insecte, admet Marcel Kuntz. Il y a tout un monde d’innovations potentielles. Je crois que l’agronomie de demain essaiera de cumuler toutes les approches, au cas par cas, pour voir ce qu’il est le plus intelligent de faire… Et les insecticides chimiques seront peut-être utilisés de plus en plus en dernier recours. Mais il faut que les autres technologies soient efficaces et à un coût raisonnable. »

Et Hervé Vaucheret de conclure : « Au-delà de l’aspect législatif, il y a encore beaucoup de questions techniques qui se posent. Et même si certaines applications sont potentiellement réalisables il y a des risques et des bénéfices et il faut peser le pour et le contre. En France, pour l’instant, la réglementation impose que toutes les expériences se fassent en zones confinées dans des laboratoires. Nous sommes à un stade où nous sommes très prudents car il y a beaucoup de choses que nous ne comprenons pas encore. Il est donc important de continuer les recherches. Je pense qu’il faut se baser sur l’observation de la variabilité naturelle pour se rendre compte des limites de toutes les applications qu’on veut bien mettre derrière une technologie. »