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QU'EST-CE QUE LA VIE ?

 

 

 

 

 

 

 

QU'EST-CE QUE LA VIE ?


Longtemps savants et philosophes ont cherché à élucider la nature de la vie. L'idée de vie suggérait l'existence de quelque substance ou de quelque force spéciale. On pensait que la "matière vivante", comme on disait alors, différait de la matière ordinaire par une substance ou une force qui donnait des propriétés particulières. Et pendant des siècles, on a cherché à découvrir cette substance ou cette force vitale. En réalité la vie est un processus, une organisation de la matière. Elle n'existe pas en tant qu'entité indépendante qu'on pourrait caractériser. On peut donc faire l 'étude du processus ou de l'organisation, mais pas de l'idée abstraite de vie. On peut tenter de décrire, on peut tenter de définir ce qu'est un organisme vivant et non-vivant. Mais il n'y a pas de "matière vivante". Il y a de la matière qui compose les êtres vivants et cette matière n'a pas de propriété particulière que n'aurait pas ce qui compose les corps inertes.

Texte de la 1ère conférence de l'Université de tous les savoirs réalisée le1er janvier 2000 par François Jacob
Qu'est-ce que la vie ?

Pour inaugurer dignement l'an 2000, qui ne signifie rien, sinon un salut à la gloire des zéros, on m'a demandé de répondre à la question : Qu'est-ce que la vie ? Cette question me paraît d'autant plus appropriée qu'elle n'a pas de réponse. Depuis qu'il y a des hommes et qui pensent, ils ont dû se poser une telle question. Chacun apprend rapidement qu'il est, tôt ou tard, destiné à mourir. Chacun a vu des animaux ou des humains morts. Chacun sait que la vie est un état éphémère. Chacun voudrait bien savoir en quoi il consiste. Le malheur est qu'il est particulièrement difficile, sinon impossible, de définir la vie. C'est un peu comme le temps. Chacun a une idée intuitive de ce qu'est le temps. Mais quand il faut le définir, on y arrive rarement.
Mais si chacun parle de la vie en relation avec la mort, rares sont ceux qui en parlent en relation avec les choses inanimées, avec les montagnes, les rochers, le sable, l'eau, etc. En effet, en science, la division entre vivant et non vivant est relativement récente. Jusqu'à la fin du XVIIIème siècle, on étudiait les animaux et les plantes. On comparait leur morphologie. On les classait. On faisait de l'histoire naturelle.
C'est seulement au début du XIXème siècle que plusieurs auteurs, dont Lamarck, s'intéressent aux propriétés des êtres vivants, par opposition aux objets inanimés et utilisent le mot biologie. Il est intéressant de noter que l'avènement de la biologie survient avec celui du romantisme. On commence à parler du vivant au moment du premier suicide de la littérature : celui du jeune Werther.

Longtemps savants et philosophes ont chercher à élucider la nature de la vie. L'idée de vie suggérait l'existence de quelque substance ou de quelque force spéciale. On pensait que la "matière vivante", comme on disait alors, différait de la matière ordinaire par une substance ou une force qui lui donnait des propriétés particulières. Et pendant des siècles, on a cherché à découvrir cette substance ou cette force vitale. En réalité la vie est un processus, une organisation de la matière. Elle n'existe pas en tant qu'entité indépendante qu'on pourrait caractériser. On peut donc faire l'étude du processus ou de l'organisation, mais pas de l'idée abstraite de la vie. On peut tenter de décrire, on peut tenter de définir ce qu'est un organisme vivant. On peut chercher à établir la ligne de démarcation entre vivant et non vivant. Mais il n'y a pas de "matière vivante". Il y a de la matière qui compose les êtres vivants et cette matière n'a pas de propriété particulière que n'aurait pas ce qui compose les corps inertes.
Si le vitalisme a duré si longtemps, si jusqu'au début du XXème siècle, beaucoup de biologistes ont encore invoqué une force mystérieuse pour animer les êtres vivants, c'est que de toute évidence la théorie qu'on leur opposait ne pouvait suffire. Ceux, en effet, qui considéraient que les êtres vivants ne sont pas fondamentalement de nature différente de la matière inanimée, estimaient avec Descartes que tous les organismes - à l'exception peut-être de l'homme - ne sont que des machines. Bien évidemment le modèle de la machine appliqué aux organismes est très insuffisant : on n'a jamais vu de machine s'autoconstruire, s'autorépliquer, ou se procurer toute seule l'énergie dont elle a besoin. Cependant cette idée n'a été finalement abandonnée que récemment.
Le premier et important coup a été porté au vitalisme par les chimistes. Comme les corps vivants et les corps inanimés semblaient être de nature différente, on estimait que les chimistes ne pouvaient fabriquer les constituants du vivant, appelés corps organiques. Mais en 1828, Frederik Wöhler réussit en laboratoire la synthèse d'une substance organique, l'urée, à partir de composants minéraux. C'était la preuve qu'il est possible au laboratoire de convertir les composés inorganiques en une molécule organique.

La fin du XIXème siècle a été pour la biologie une période d'exceptionnelle fécondité. C'est l'époque des grandes théories :
- La théorie des germes avec Pasteur. Les microorganismes avaient été découverts à la fin du XVIIème siècle, grâce à l'invention du microscope. Mais pendant longtemps on n'a su ni qu'en faire ni où les ranger. C'est seulement avec Pasteur que fut mis en évidence le rôle de ces petits êtres vivants dans les maladies de l'homme et des animaux ainsi que dans certaines industries, comme celles du vin et de la bière. En outre, Pasteur démontra que les microbes naissent des microbes et que la génération spontanée n'existe pas.
- La théorie cellulaire avec Schleiden chez les végétaux et Schwann chez les animaux. Tous les organismes sont faits de cellules. La cellule est l'unité du vivant. C'est le plus petit élément ayant toutes les propriétés du vivant. La reproduction se fait par la fécondation, c'est-à-dire la fusion de deux cellules sexuelles : spermatozoïde et ovule. Le développement de l'embryon se fait à partir de l'Suf ainsi formé, par la multiplication des cellules et leur différenciation en cellules spécialisées (musculaires, nerveuses, hépatiques, etc.).

- La théorie de l'évolution avec Darwin. Le monde vivant tel que nous le voyons autour de nous, y compris nous-mêmes les humains, est le résultat de l'histoire de la Terre. Les espèces dérivent les unes des autres par un mécanisme imaginé par Darwin et appelé sélection naturelle. En fin de compte, tous les êtres vivants descendent de un -ou d'un très petit nombre- d'organismes initiaux. Ce qui conduit à poser la question de l'origine de cet organisme, c'est-à-dire l'origine du vivant.
Au début du XXème siècle ce sont développées deux disciplines nouvelles : la biochimie et la génétique. La biochimie cherche à analyser les constituants et les réactions de la cellule. C'est avec elle que l'expérimentation trouve un accès à la chimie du vivant. Elle analyse un nombre considérable de réactions relativement simples. Elle suit les transformations par quoi se constituent les réserves d'énergie et s'élaborent les matériaux de construction.
Quand on analyse les composants de la cellule, on constate que celle-ci est formée de molécules de deux types : des petites molécules et de très grosses molécules. Les petites molécules sont formées par une chaîne de réactions successives. A chaque étape un petit groupe d'atomes est ajouté ou retranché. Chaque réaction est catalysée de manière spécifique par un enzyme particulier.
Les grosses molécules sont fabriquées de manière très différente. Ce sont des polymères formés par la répétition d'une même réaction. A chaque étape est ajouté un même type de petite molécule. Ces polymères peuvent ainsi contenir des centaines, voire des milliers de résidus. Il en existe deux sortes qui jouent chacune un rôle primordial dans la cellule :
- les acides nucléiques sont des polymères de ce que les chimistes appellent des bases puriques et pyrimidiques, présentes au nombre de quatre ; il en existe deux types : l'acide désoxyribonucléique (ADN) qui assure la conservation et la reproduction de l'information cellulaire ; l'acide ribonucléique (ARN) qui sert surtout aux transferts d'information.
- les protéines sont des polymères d'acides aminés dont il existe vingt sortes. Les protéines servent à déterminer les structures de la cellule et à former les enzymes, les catalyseurs des réactions chimiques.
Plus se précisent la composition des êtres vivants et les réactions dont elles sont le siège, moins elles se distinguent de celles réalisées au laboratoire. L'originalité des êtres vivants réside surtout dans les enzymes, dans leur fonction de catalyseurs. C'est grâce à la précision, à l'efficacité et à la spécificité de la catalyse enzymatique que peut se tisser le réseau de toutes les opérations chimiques dans l'espace minuscule de la cellule. Ces activités enzymatiques sont associées à la présence de protéines. Si la chimie des êtres vivants a un secret, c'est dans la nature et les qualités des protéines qu'il faut le chercher.
L'autres domaine nouveau, la génétique est née avec le siècle et a grandi avec lui. Les travaux de Mendel, exécutés et publiés dans les années 1860, n'avaient pas retenu grande attention. Ils sont "redécouverts" au début du siècle par plusieurs biologistes simultanément. Ils conduisent à l'idée que le "caractère", ce qu'on voit, est sous-tendu par une "particule" qu'on ne voit pas, qui est cachée au cSur de la cellule. Cette particule a été appelée "gène". Depuis lors, la génétique a poursuivi une recherche inlassable pour tenter de comprendre ce qu'est un gène, son fonctionnement, ses propriétés. Et plus nous avons appris, plus il est apparu clairement que les gènes se situent au cSur de toute cellule, de tout organisme, que la génétique sous-tend toute la biologie.

Le premier tiers du siècle a été occupé par une recherche de mutations chez divers animaux et végétaux ainsi que par des croisements entre organismes différant par plusieurs mutations. La démonstration qu'un gène donné occupe une position précise, qu'on peut lui assigner une place sur un chromosome particulier, date de 1910. L'arrangement linéaire des gènes sur un chromosome et la première carte génétique avec plusieurs marqueurs furent publiés en 1913.
Tant que les généticiens ont circonscrit leurs recherches à l'étude d'organismes complexes, ils ont surtout repéré des gènes gouvernant des traits de morphologie ou de comportement. Mais à la fin des années 1930 est apparu, chez les généticiens, un intérêt nouveau pour la biochimie. L'analyse génétique a été étendue aux microorganismes. Elle a permis de déceler des gènes déterminant des réactions biochimiques. Il est ainsi devenu possible de disséquer les voies métaboliques, d'établir l'ordre des réactions successives, de montrer que la catalyse de chaque étape, dont la protéine qui sert de catalyseur, est sous la dépendance d'un gène spécifique.
Pendant toute cette période, les gènes apparaissaient comme des "êtres de raison", des structures imaginaires requises pour rendre compte des faits connus. Personne n'en avait jamais vu. On ne pouvait ni les purifier, ni les mettre en bouteille. On les représentait le plus souvent comme d'hypothétiques perles enfilées sur d'hypothétiques fils, correspondant aux chromosomes. Avec les travaux montrant que c'est l'acide désoxyribonucléique, l'ADN, qui est porteur des traits héréditaires chez les bactéries et les virus, le gène jusque-là pure construction mentale, commençait à prendre de l'épaisseur, de la consistance.
Au milieu de ce siècle, survint un changement nouveau dans la manière de considérer les organismes vivants. Cette transformation, qui correspondait à la naissance de la biologie moléculaire, est partie d'une idée que l'expérimentation est venue étayer seulement après coup. L'idée était que les propriétés des êtres vivants doivent nécessairement s'expliquer par la structure et les interactions des molécules qui les composent. Cette conception était due à un groupe de physiciens notamment Bernal, Niels Bohr, Delbrück, Schrödinger pour qui toute explication biologique devait avoir une base moléculaire. Quitte à trouver des lois nouvelles qui, sans échapper à la physique, auraient pu n'être découvertes que chez les êtres vivants. Ce qui, jusqu'à ce jour n'a pas été observé.
C'est en pathologie qu'a été obtenue la première explication moléculaire avec l'étude de l'hémoglobine dans l'anémie falciforme. Mais c'est surtout la connaissance de la structure moléculaire de l'ADN qui devait prouver de façon éclatante le bien-fondé de la manière de voir des physiciens et donner un fondement à la biologie moléculaire. Avec la structure proposée par Watson et Crick venait se résoudre, dans les propriétés d'une molécule, l'une des plus grandes questions posées à l'humanité, l'hérédité.
La biologie moléculaire a tout d'abord centré ses recherches sur les structures les plus simples : bactéries et virus. L'avantage des bactéries, c'est que, à partir d'un individu, on peut, en quelques heures, obtenir une population homogène de quelques milliards d'individus. Et inversement, à partir d'une population de milliards d'individus, on peut isoler un mutant particulier pour peu que l'on sache imaginer un milieu sélectif permettant la multiplication de ce seul mutant. D'où l'intérêt de ces bactéries pour les biochimistes et les généticiens. Après les travaux de Pasteur, on ne s'est intéressé aux microbes que pour leur rôle dans les maladies des hommes et des animaux ou dans l'industrie. Telle était leur importance dans ces domaines que leur étude biologique en fut éclipsée. Au milieu de ce siècle, il devint clair que les bactéries étaient formées des mêmes composés chimiques que tous les organismes vivants. Et aussi que, comme les autres organismes, ils possédaient des gènes localisés sur un chromosome.

Les travaux effectués au milieu de ce siècle démontrèrent ainsi l'unité de structure et de fonction du monde vivant. Et pour l'étude de nombreux problèmes les bactéries apparurent alors comme un matériel particulièrement favorable. Quant aux virus, ils sont si petits qu'on peut les voir, non au microscope optique, mais seulement au microscope électronique. On s'est longtemps demandé si les virus étaient vivants. Aujourd'hui, la réponse est clairement non. Ce ne sont pas des organismes vivants. Placés en suspension dans un milieu de culture, ils ne peuvent ni métaboliser, ni produire ou utiliser de l'énergie, ni croître, ni se multiplier, toutes fonctions communes aux êtres vivants. Les virus sont dépourvus de tout équipement enzymatique. Ils ne peuvent se multiplier qu'au sein d'une cellule où ils ont pénétré par infection, en utilisant à leur profit l'équipement enzymatique de la cellule.
La biologie moléculaire est longtemps restée confinée à l'étude des bactéries et des virus. Les organismes multicellulaires demeuraient hors d'atteinte d'une telle analyse. Leur ADN présentait une complexité qui défiait les possibilités de la génétique moléculaire. Et puis, peu à peu, on a appris à manier cet ADN. On a trouvé le moyen d'en couper les longs filaments en des points choisis, d'en raccorder les fragments, d'en insérer des segments dans un chromosome. Toutes ces manipulations connues sous le nom de génie génétique. Il est ainsi devenu possible de manipuler les énormes quantités d'ADN contenus dans le génome des organismes complexes.

En quelques années, ce fut alors une transformation totale de la manière de considérer et d'étudier les êtres vivants, leur fonctionnement, leur évolution. L'exigence d'explication moléculaire a gagné les branches les plus diverses de la biologie, la biologie cellulaire, la virologie, l'immunologie, la physiologie, la neurobiologie, l'endocrinologie, etc. Dans la période qui a suivi, et dans laquelle nous sommes encore, cette nouvelle manière de voir le monde vivant a apporté, dans la plupart des domaines de la biologie, une extraordinaire moisson de données nouvelles. C'est une période de raffinement et d'exploitation. Un effort technologique sans précédent a permis d'affiner les méthodes en jeu dans l'analyse des macromolécules, acides nucléiques et protéines. Pour un étudiant commençant aujourd'hui et pénétrant pour la première fois dans un laboratoire, il est difficile d'imaginer ce qu'était, il y a encore vingt ou vingt-cinq ans, l'étude des protéines et surtout des acides nucléiques. Aujourd'hui, ce même étudiant apprend en quelques semaines à découper en morceaux le génome de n'importe quel organisme ; à isoler des fragments et purifier des gènes ; à en produire des grammes, à en faire la séquence ; à réassortir avec n'importe quel autre fragment d'ADN n'importe quel gène ou n'importe quelle séquence ; à injecter un gène dans une cellule et même dans le noyau d'un Sufs fécondé. Bref en quelques semaines, il apprend à bricoler en laboratoire, comme un vulgaire moteur de 2 CV, la molécule même de l'hérédité. La stupéfaction a été de constater que les chromosomes, ces structures naguère encore considérées comme pratiquement intangibles, sont en réalité l'objet de remaniements permanents, que la molécule de l'hérédité est raboutée, modifiée, coupée, rallongée, raccourcie, retournée. Bref que notre présence sur cette terre est le résultat d'un immense bricolage cosmique.
Car aujourd'hui, aucun biologiste ne met plus en doute que le monde vivant, tel que nous le voyons autour de nous, est le résultat d'une évolution qui a duré plusieurs milliards d'années. C'est un fait aujourd'hui admis même par l'Église catholique. Rien de ce que l'on a appris depuis 100 ans, et en particulier les résultats de la biologie moléculaire, ne peuvent s'expliquer sans la théorie de l'évolution. Il y a en biologie un grand nombre de généralisation mais fort peu de théories. Parmi celles-ci, la théorie de l'évolution l'emporte de beaucoup en importance sur les autres parce qu'elle rassemble, dans les domaines les plus variés, une masse d'observations qui sans elle resteraient isolées ; parce qu'elle lie entre elles toutes les disciplines qui s'intéressent aux êtres vivants ; parce qu'elle instaure un ordre dans l'extraordinaire variété des organismes et les unit étroitement au reste de la terre ; bref parce qu'elle fournit une explication causale du monde vivant et de son hétérogénéité. Mais si tout le monde biologique admet aujourd'hui le rôle de l'évolution dans la genèse du monde vivant, des désaccords subsistent sur certains aspects des mécanismes en jeu. C'est le propre d'une théorie scientifique d'être discutée dans ses détails et de donner lieu à de nouvelles recherches.

La biologie moléculaire permet d'éclairer plusieurs des questions qui se posent à propos de l'évolution. Ici je voudrais en évoquer seulement deux. La première est la question de savoir si -et comment- les molécules des différents organismes sont différentes. On a longtemps pensé qu'elles étaient entièrement différentes. Et même que c'était la nature de leurs molécules qui donnait aux organismes leurs propriétés et particularités. En d'autres termes que les chèvres avaient des molécules de chèvre et les escargots des molécules d'escargot. Que c'étaient les molécules de chèvre qui donnaient à la chèvre ses particularités.
Peu à peu, à mesure que s'amélioraient les moyens d'analyse des protéines et des gènes, à mesure qu'on étudiait des organismes plus nombreux, on s'est aperçu que certaines molécules, comme l'hémoglobine par exemple, ou les hormones, étaient les mêmes ou presque, chez les organismes très différents. Progressivement, il est ainsi apparu que tous les animaux, tous les êtres vivants sont apparentés à un point naguère encore soupçonnable. Gènes et protéines ne sont plus chacun des objets uniques, des idiosyncrasies propres à une espèce. On retrouve des structures extrêmement voisines d'une espèce à une autre. Mieux, dans une même espèce, on retrouve souvent des structures extrêmement voisines assurant des fonctions très différentes. En outre, on voit souvent des segments de séquence commune insérés parmi des séquences différentes. Gènes et protéines sont pour la plupart des sortes de mosaïques formées par l'assemblage de quelques éléments, de quelques motifs portant chacun un site de reconnaissance. Ces motifs existent en nombre limité, mille ou deux mille. C'est la combinatoire de ces motifs qui donne aux protéines leur infini variété. C'est la combinaison de quelques motifs particuliers qui donne à une protéine ses propriétés spécifiques.
L'élément de base, celui qui est directement impliqué dans la chimie de la cellule, c'est le site de reconnaissance contenu dans un domaine protéique. La reconnaissance moléculaire avait semblé, tout d'abord, limitée à l'interaction entre enzyme et substrat ou entre antigène et anticorps. On lui attribue maintenant le premier rôle dans toute une série de phénomènes : polymérisation des protéines pour former des structures telles que les protéines du muscle, le cytosquelette, les ribosomes, les capsides des virus ; interaction protéine-ADN dans la régulation de l'activité des gènes ; interaction récepteur-ligand dans toute une série de phénomènes, telle la transduction des signaux ou les interactions de cellules, l'adhérence cellulaire, etc. Nombre de sites de reconnaissance moléculaire persistent sans changement à travers toute l'évolution. De sorte qu'on les retrouve à peu près identiques chez les organismes les plus variés.

On voit les changements apportés ainsi dans la manière de considérer l'évolution biochimique. Tant que chaque gène, donc chaque protéine, était regardé comme un objet unique, résultat d'une séquence unique de nucléotides ou d'acides aminés, chacun d'eux ne pouvait se former que par une création nouvelle, de toute évidence hautement improbable. Mais l'existence d'importantes familles de protéines de structures identiques, la formation de protéines en mosaïque formées de motifs retrouvés dans de nombreuses protéines, ce fait surprenant que, au cours de l'évolution, les protéines conservent leurs motifs spécifiques et leurs sites actifs malgré une énorme diversification morphologique, tout cela montre bien que l'évolution procède de manière bien différente de ce qu'on avait cru jusque-là. En fait, l'évolution biochimique paraît fonctionner selon deux principes, concernant l'un la création de molécules nouvelles, l'autre leur sélection.

La part créative de l'évolution biochimique ne se fait pas à partir de rien. Elle consiste à faire du neuf avec du vieux. C'est ce que j'ai appelé le "bricolage moléculaire". Les premiers gènes ont dû se former à partir de courtes séquences de nucléotides, trente ou quarante. Ces segments se sont ensuite agrandis, soit en s'aboutant les uns aux autres, soit en se dédoublant chacun une ou plusieurs fois. On trouve, en effet, dans de nombreux gènes la trace de une, deux, trois ou même plusieurs duplications successives suivies de diversifications plus ou moins importantes. La duplication soit de segments d'ADN, soit de gènes entiers paraît être l'un des grands modes de bricolage moléculaire. C'est par duplications successives que ce sont formées les nombreuses familles de gènes comme ceux des hémoglobines, de nombreux facteurs de régulation ou les gènes de la famille des immunoglobulines qui remplissent des fonctions voisines, reconnaissance d'antigènes, adhérence cellulaire ou guidage des axones.
Second mode de production des gènes : le réassortiment de fragments préexistant pour former des gènes mosaïques. Là intervient aussi l'aspect sélection. Une formidable surprise a été de constater, chez les protéines, la persistance, presque l'intangibilité, au cours de l'évolution, des motifs de reconnaissance spécifiques. Cette stabilité, malgré l'énorme variété des espèces, s'explique par les fortes contraintes pesant sur ces sites de reconnaissance, base de toutes les interactions moléculaires ; donc de toutes les activités chimiques de la cellule. Il est nécessaire de conserver la spécificité des interactions moléculaires. D'où une inertie, à travers l'évolution, des structures en jeu. Cette inertie s'applique au segment d'un gène, un segment codant ou exon, qui détermine ce site de reconnaissance. Elle ne s'applique pas aux segments non codant du gène ou introns. Ni au voisinage, à la nature des segments qui jouxtent l'exon en cause. Introns et segments d'ADN voisins peuvent donc varier librement. D'où le second mode de bricolage moléculaire : le réassortiment de fragments d'ADN, d'exons, pour former des molécules mosaïques.

Une fois encore, c'est donc une combinatoire d'éléments en nombre limité qui produit une énorme variété de structures pour former les principaux constituants cellulaires. L'évolution biochimique ne repose que secondairement sur des mutations comme on l'avait longtemps cru. Elle est due avant tout à la duplication de segments d'ADN et à leur réassortiment. Dans cette évolution existent de véritables points fixes, des îlots formés par les sites de reconnaissance spécifique. Autour des segments d'ADN qui les codent, s'échangent plus ou moins librement, comme une sorte de ballet, d'autres fragments d'ADN. Dans ces conditions, les structures de base, les sites de reconnaissance se retrouvent dans tous les organismes dans des contextes qui peuvent être à chaque fois différents. L'ensemble du monde vivant ressemble ainsi à une sorte de Meccano géant. Les mêmes pièces peuvent être démontées et remontées de façon différente, de manière à produire des formes différentes. Mais à la base, ce sont toujours les mêmes éléments qui sont utilisés.

La structure en mosaïque des gènes et des protéines donne à celles-ci des possibilités d'interactions multiples. La formation de complexes protéiques, parfois très volumineux, accroît encore des possibilités. C'est ainsi que pour réaliser certaines opérations de base de la cellule, comportant des réactions et interactions multiples, des ensembles spécifiques sont mis en Suvre. C'est le cas notamment d'opérations impliquées dans la division de la cellule ou d'interactions cellules-cellules ou de certaines étapes de morphogenèse. Les gènes d'un ensemble qui assure de telles opérations sont liés par les reconnaissances cellulaires qui associent étroitement leurs produits. L'ensemble des gènes qui gouvernent la division de la cellule sont les mêmes chez la levure et chez l'homme. Ils ont conservé leurs fonctions et une bonne part de leurs structures au long d'une évolution qui s'étend sur plus de cinq cent millions d'années. De tels ensembles ont été baptisés "syntagmes" par Antonio Garcia-Bellido. Ils fonctionnent comme des sortes de modules utilisés dans l'architecture de toutes les cellules.
C'est aussi une construction en modules régis par des ensembles de gènes que l'on observe dans le développement embryonnaire de nombreuses espèces. Peut-être même de toutes. Les organismes, insectes notamment, paraissent se développer sous forme de segments répétés, c'est-à-dire de modules multicellulaires. Tout d'abord identiques, ces modules se différencient secondairement de manière spécifique sous l'effet d'ensembles de gènes régulateurs, tels les homéogènes. Le rôle de ces gènes est de modifier les règles qui régissent le développement du module type. Ils définissent ainsi un territoire bien défini et donnent à chaque segment une identité particulière. Chacun de ces territoires, de ces segments est défini par la combinaison de plusieurs homéogènes qui fonctionnent en parallèle dans les mêmes cellules. De la même façon, la différenciation terminale, qui produit les différents types cellulaires observés dans le corps, utilise des ensembles de gènes conservés qui opèrent de concert. Par exemple, pour produire cellules musculaires ou cellules nerveuses chez tous les organismes étudiés, du nématode à l'être humain. Le monde vivant comprend des bactéries et des baleines, des virus et des éléphants, des organismes vivants dans les régions polaires à -20°C. Mais tous ces organismes présentent une remarquable unité de structures et de fonctions. Ce qui distingue un papillon d'un lion ou une poule d'une mouche, c'est moins une différence dans les constituants chimiques que dans l'organisation et la distribution de ces constituants. Parmi les groupes voisins, les vertébrés, par exemple, la chimie est la même. Ce qui rend un vertébré différent d'un autre, c'est plus un changement dans le temps d'expression et dans les quantités relatives des produits des gènes au cours du développement de l'embryon que les petites différences observées dans la structure de ces produits.

Dans la nature, la complexité naît souvent d'une combinatoire : combinatoire de particules pour former les atomes, combinatoires d'atomes pour former les molécules, combinatoire de cellules pour former les organismes. C'est aussi le processus qui sous-tend la formation des gènes et des protéines : combinatoire de fragments ayant chacun une fonction spécifique et qui se réassortissent à l'infini pour jouer des rôles variés. Un petit nombre de ce ces fragments d'ADN suffit ainsi à former un nombre considérable de gènes.
Une surprise a été de découvrir à quel point les molécules sont conservées au cours de l'évolution. Pas seulement les protéines de structure comme les hémoglobines des globules rouges, les actines et les myosines des muscles ou les kératines des cheveux et des ongles. Pas seulement les enzymes comme la pepsine et la trypsine qui interviennent dans la digestion ou les cytochromes qui interviennent dans la respiration. Mais aussi les protéines de régulation qui dirigent par exemple le développement de l'embryon et déterminent la forme de l'animal. Deux exemples suffisent à montrer cette surprenante conservation des molécules. Chez la mouche, qui jouit d'un long passé génétique, ont été mis en évidence les gènes qui assurent, dans l'Suf, la mise en place des axes du futur embryon, puis ceux qui déterminent le destin et la forme de chacun de ces segments. A la stupéfaction générale, ces mêmes gènes ont été retrouvés chez tous les animaux examinés : coup sur coup, grenouille, ver, souris et homme. Qui eut dit, il y a encore quinze ans, que les gènes qui mettent en place le plan d'un être humain sont les mêmes que ceux fonctionnant chez une mouche ou un ver. Il faut admettre que tous les animaux existant aujourd'hui sur cette terre descendent d'un même organisme ayant vécu il y a six cent millions d'années et possédant déjà cette batterie de gènes.
Autre exemple non moins saisissant : les yeux. Il existe, chez les animaux, toute une série d'yeux bâtis sur des principes très différents. Notamment l'Sil à facettes des insectes et l'Sil à cristallin des céphalopodes et des vertébrés. Si différents que puissent être ces deux types d'Sil, ils utilisent pour leur construction, les mêmes gènes bricolés de façon différente pour produire des organes remplissant une même fonction mais d'architectures très différentes. Au cours de ce demi-siècle, on est ainsi allé de surprise en surprise. Au point que dans les quinze dernières années a émergé du monde vivant une vision complètement nouvelle.
Je voudrais discuter ici d'un autre problème, un redoutable problème qui vient en corollaire à la théorie de l'évolution. C'est la question de l'origine du vivant, de l'origine de la vie. D'un côté, Pasteur a montré une bonne fois pour toutes que la génération spontanée n'existe pas. Après lui, il n'y a plus de mouches qui naissent de vieux chiffons. Le vivant vient du vivant. Toute cellule vient d'une cellule. D'autre part, après Darwin, les espèces dérivent les unes des autres. Elles dérivent toutes de un ou d'un très petit nombre d'organismes très simples. D'où la question : comment s'est formé le premier organisme vivant ?

On estime aujourd'hui que la Terre s'est formée il y a quatre milliards et demi d'années. Combien de milliers d'évènements, totalement indépendants dont chacun aurait pu ne pas avoir lieu, ont dû se produire pour que se créent l'univers, notre galaxie, le système solaire et la Terre avec les conditions nécessaires à la vie, conditions qui n'existent pas sur les autres planètes du système solaire : l'eau, la distance au soleil qui permet juste de n'avoir ni trop chaud, ni trop froid. Pour évoquer l'origine de la vie, les biologistes doivent déployer toutes les ressources de leur imagination.
Le vivant semble être apparu assez vite, probablement moins d'un milliard d'années après la formation de la Terre, sous forme de ce qu'on pourrait appeler une "protobactérie". Qui dit vivant dit reproduction. Mais l'appareil de reproduction tel qu'on l'observe aujourd'hui chez l'organisme le plus simple, chez la bactérie la plus modeste se relève déjà d'une redoutable complexité. Car la seule duplication de l'ADN met en jeu un grand nombre de protéines. La synthèse de chacune de celles-ci exige un nombre et une diversité de macromolécules plus considérables encore. Cela pour la seule duplication de l'ADN. Sans parler de toutes les autres fonctions et réactions chimiques qui s'accomplissent au sein de la cellule bactérienne moderne. Il est donc exclu qu'un tel système soit sorti ainsi tout armé de la cuisse de Jupiter. D'où la nécessité d'imaginer des scénarios plus ou moins plausibles dans lesquels se serait progressivement construite une telle complexité.

Selon le scénario actuel, le monde vivant tel que nous le connaissons et que domine l'ADN aurait été précédé par un monde où c'était l'ARN qui l'emportait en fonctionnant aussi bien pour la reproduction que pour la catalyse de certaines réactions. Inutile de dire que la mise en place de ce monde à ARN et le passage à un monde à ADN impliquent un nombre considérable d'étapes toutes plus improbables l'une que l'autre. Il est vraisemblable que l'on pourra préciser certains aspects de ce scénario, affiner certaines des hypothèses. Mais beaucoup de celles-ci ne se prêtent ni à une reconstruction en laboratoire, ni à une vérification expérimentale. En d'autres termes, s'il paraît clair que microbes, champignons, plantes, animaux, humains, bref nous autres vivants, nous descendons tous de quelque protobactérie initiale, nous ne sommes pas près de connaître dans le détail le véritable visage que présentait notre ancêtre commun.

Quand on considère l'origine de la vie, il faut admettre que, en quelque huit ou neuf cent millions d'années, des milliers d'évènements, chacun fortement improbable, se sont succédés pour permettre le passage d'une Terre sans vie à la vie d'un monde à ARN puis à un monde à ADN. De toute évidence, une pareille histoire paraît aux non initiés aussi difficile à accepter que la Création racontée par la Théogonie d'Hésiode, ou par les Upanishads ou par la Bible. Et encore, les récits mythiques semblent-ils bien souvent plus près du sens commun que les discours des biochimistes et des biologistes moléculaires.
Quant à ces derniers, placés devant les difficultés d'un problème qui risque de ne pas recevoir avant longtemps de solution, ils ont recours à trois hypothèses possibles. Les uns, et parmi les plus grands, considèrent l'apparition de la vie sur la Terre comme tellement improbable qu'ils préfèrent, mi par jeu, mi-sérieusement invoquer une sorte de panspermie. Des germes vivants seraient arrivés sur la terre à bord d'un vaisseau spatial envoyé d'une planète lointaine par une civilisation plus évoluée que la nôtre. Ce qui, bien entendu, ne fait que reculer le problème d'un cran. C'est l'opinion la plus rare.

D'autres considèrent que l'apparition du vivant sur la Terre était tellement improbable qu'elle ne s'est sans doute produite qu'une seule fois. Elle résulte d'une suite d'évènements, dont chacun aurait pu ne pas se produire, qu'il aurait aussi bien pu ne jamais y avoir de monde vivant sur la Terre. Les mêmes scientifiques ont également tendance à croire qu'il n'y a probablement pas d'autres habitants, et notamment pas d'autres habitants conscients dans l'univers.
Enfin, une troisième catégorie de scientifiques montre une attitude toute différente. Ils considèrent que toutes les étapes impliquées dans l'avènement d'un monde à ARN, puis dans le passage à un monde à ADN, sont des réactions chimiques ordinaires. Elles ne peuvent donc manquer de se produire si suffisamment d'occasions, donc de temps, leur sont données. Pour eux, le vivant ne pouvait donc pas ne pas se former sur la Terre. En outre, sensibles aux arguments des astrophysiciens pour qui l'univers contient un grand nombre de planètes dont les propriétés doivent être semblables à celles de la Terre, ils considèrent qu'il doit exister, dans l'univers, un grand nombre de foyers de vie et même probablement de vie consciente.

En l'état actuel des connaissances, le choix entre ces deux dernières options est avant tout une question de goût. Certains préfèrent cultiver l'exception que représenterait une vie restreinte à la Terre et, comme conséquence, l'unicité de la conscience humaine pour réfléchir sur l'univers et ce qui l'habite. Les autres, au contraire, préfèrent croire à la banalité du vivant dont ils pensent que les propriétés sur d'autres planètes ne pourraient être très différentes de celles observées sur la Terre. Convaincus, d'autre part, qu'une fois mise en route la vie doit nécessairement conduire à la conscience, ils s'efforcent de trouver des moyens d'entrer en contact avec les autres civilisations qui, d'après eux, doivent occuper d'autres régions de l'univers.

Jusqu'ici, toutefois, aucune trace d'un signal venu de la galaxie ou d'autres galaxies n'a pu être obtenu. Dans une série d'observatoires distribués à travers le monde on s'efforce de déceler un tel signal en utilisant les longueurs d'ondes les plus variées. Jusqu'ici en vain. Il faut dire qu'il y a des questions de distance ! Récemment l'attention a été attirée sur une météorite qui pourrait venir de la planète Mars et qui pourrait contenir une structure rappelant celle des plus vieilles structures vivantes trouvées sur la Terre. Mais les arguments avancés ne sont guère convaincants. Cette affaire paraît relever de la publicité pour la NASA en vue de ses prochains vols spatiaux vers Mars.

On voit ainsi que la science a, depuis un ou deux siècles, considérablement réduit ses ambitions par les questions qu'elle pose et les réponses qu'elle cherche. De fait, le début de la science moderne date du moment où aux questions générales se sont substituées des questions limitées. Où au lieu de se demander : "Comment l'univers a-t-il été créé ? De quoi est faite la matière ? Qu'est-ce que la vie ?", on a commencé à se demander : "Comment tombe une pierre ? Comment l'eau coule-t-elle dans un tube ? Quel est le cours du sang dans le corps ?". Ce changement a eu un résultat surprenant. Alors que les questions générales ne recevaient que des réponses limitées, les question limitées se trouvèrent conduire à des réponses de plus en plus générales. Cela s'applique encore à la science d'aujourd'hui. C'est pourquoi on n'interroge plus la vie aujourd'hui dans les laboratoires. On ne cherche plus à en cerner les contours. On s'efforce seulement d'analyser des systèmes vivants, leurs structures, leurs fonctions, leur histoire.

Il ne faut donc pas demander au scientifique de définir la vie. Mais chacun de nous sait ce qu'est la vie. Chacun de nous sait combien elle est fragile. Chacun de nous en connaît l'infini du possible et la merveilleuse diversité. Chacun de nous sait qu'il n'est pas sur la terre de bien plus précieux que la vie. Que c'est même le seul bien de ce monde. Que de donner la vie, ou plutôt transmettre la vie à un enfant, est l'acte le plus profond que puisse accomplir un être humain. "La vie ne vaut rien, disait Malraux, mais rien ne vaut la vie".

 

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30 petits neurones unis contre la douleur

 


 

 

 

 

 

Paris, 3 mars 2016

30 petits neurones unis contre la douleur


L'ocytocine joue un rôle primordial dans la modulation de la réponse douloureuse mais, jusqu'ici, le processus aboutissant à sa libération était inconnu. Une équipe internationale1, incluant en France des chercheurs du CNRS, de l'Inserm et de l'Université de Strasbourg à l'Institut des neurosciences cellulaires et intégratives du CNRS, vient d'identifier dans l'hypothalamus un nouveau centre de contrôle de la douleur. Il est constitué d'une trentaine de neurones qui coordonnent à eux seuls la libération d'ocytocine dans le sang et dans la moelle épinière, et atténuent ainsi la sensation douloureuse. Leurs résultats, qui ouvrent des perspectives pour le traitement des douleurs pathologiques, sont détaillés dans un article publié le 3 mars 2016 dans la revue Neuron.
Ce coup de marteau sur les doigts du bricoleur du dimanche a dû lui faire mal. Mais il aurait eu encore plus mal si l'ocytocine, un peptide synthétisé par une région du cerveau appelée hypothalamus, n'intervenait pas très tôt dans les processus cérébraux modulant la réponse douloureuse. De la contraction de l'utérus au moment de l'accouchement, à l'éjection du lait maternel après la naissance, en passant par son implication dans la régulation des interactions sociales, de l'anxiété ou de la douleur, l'ocytocine est un messager essentiel mais, pour l'instant, assez mystérieux. En effet, les mécanismes qui aboutissent à sa diffusion n'avaient jusqu'à présent pas été décryptés.
 
Une équipe internationale de chercheurs, coordonnée par Alexandre Charlet de l'Institut des neurosciences cellulaires et intégratives du CNRS, s'est penchée sur le processus de libération d'ocytocine lorsqu'une douleur est perçue. Elle a découvert que le centre de contrôle, dans le cerveau, qui coordonne la libération de l'ocytocine n'est constitué que d'une petite trentaine de neurones de l'hypothalamus.
 
Lors de douleurs aiguës ou d'une sensibilisation inflammatoire (brûlure, pincement, coupure, etc.), l'information est acheminée par les nerfs périphériques2 jusqu'aux neurones de la moelle épinière. Ceux-ci interprètent l'intensité du message et le codent en conséquence. L'information est alors adressée à d'autres neurones, parmi lesquels une petite population de 30 cellules de petite taille du noyau paraventriculaire de l'hypothalamus, identifiés par l'équipe d'Alexandre Charlet. En retour, ils activent une famille de gros neurones, les neurones magnocellulaires, dans une autre région de l'hypothalamus, qui libèrent l'ocytocine dans la circulation sanguine. La cible : les neurones périphériques qui continuent d'envoyer au cerveau le message responsable de la sensation douloureuse. L'ocytocine vient les « endormir » et de ce fait, diminuer la douleur.
 
Mais les trente donneurs d'ordre ne s'arrêtent pas là. En parallèle, le prolongement de ces cellules, appelé axone, qui mesure jusqu'à un mètre chez l'humain, atteint les couches profondes de la corne dorsale de la moelle épinière. C'est précisément à cet endroit, où le message sensoriel est codé en intensité, qu'ils libèrent l'ocytocine. Ils diminuent donc, par deux voies simultanées, la reconduction du message douloureux au cerveau.
 
Les travaux de l'équipe ont donc permis d'expliquer la manière dont différentes populations de neurones à ocytocine se coordonnent afin de contrôler l'interprétation du message « douleur » par le système nerveux. La découverte de ce centre de contrôle analgésique est prometteuse dans le cadre du traitement des douleurs pathologiques. Cibler cette poignée de neurones permettrait en effet de limiter les effets secondaires d'un potentiel traitement. Pour l'heure, l'équipe continue de les étudier, cette fois-ci pour découvrir leur implication dans la libération de l'ocytocine permettant la lactation et certains comportements sexués.



© Thomas Splettstoesser - http://www.scistyle.com/
30 petits neurones de l'hypothalamus exercent un double effet analgésique. En effet, ils provoquent une libération d'ocytocine à la fois dans la moelle épinière profonde, grâce à leurs longs prolongements (axones), et dans le sang afin d'inhiber les neurones sensibles au stimulus douloureux.
Ces deux mécanismes sont représentés, respectivement, par la région en rouge dans la moelle épinière, et par la goutte de sang.

 

Télécharger le communiqué de presse :


Notes :
1 Le projet a été coordonné par Alexandre Charlet du CNRS et Valery Grinevich du DKFZ, en Allemagne, et inclut des chercheurs d'autres institutions en Allemagne, Suisse, Chine, Italie, États-Unis.
2 Les nerfs périphériques relient les organes au système nerveux central composé du cerveau et de la moelle épinière.
Références :
A new population of parvocellular oxytocin neurons controlling magnocellular neuron activity and inflammatory pain processing, Marina Eliava, Meggane Melchior, H. Sophie Knobloch-Bollmann, Jérôme Wahis, Miriam da Silva Gouveia, Yan Tang, Alexandru Cristian Ciobanu, Rodrigo Triana del Rio, Lena C. Roth, Ferdinand Althammer, Virginie Chavant, Yannick Goumon, Tim Gruber, Nathalie Petit-Demoulière, Marta Busnelli, Bice Chini, Linette L. Tan, Mariela Mitre, Robert C. Froemke, Moses V. Chao, Günter Giese, Rolf Sprengel, Rohini Kuner, Pierrick Poisbeau, Peter H. Seeburg, Ron Stoop, Alexandre Charlet et Valery Grinevich. Neuron, 3 mars 2016. Consulter le site web

 

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Dcouverte dune nouvelle rgle dorganisation spatiale des chromosomes qui reflte leur fonctionnement

 

 

 

 

 

 

 

Découverte d’une nouvelle règle d’organisation spatiale des chromosomes qui reflète leur fonctionnement
COMMUNIQUÉ | 11 AVRIL 2012 - 13H29 | PAR INSERM (SALLE DE PRESSE)

BIOLOGIE CELLULAIRE, DÉVELOPPEMENT ET ÉVOLUTION



Découverts en 1882 par Walther Flemming, les chromosomes, supports de l’information génétique, continuent à livrer leurs secrets 130 ans plus tard ! Pour preuve, l’équipe d’Edith Heard du laboratoire Génétique et biologie du développement (Institut Curie/CNRS/Inserm) en collaboration avec celle de Job Dekker (UMass Medical School, Worcester, USA) vient de mettre au jour une nouvelle organisation de ces bâtonnets d’ADN qui se trouvent dans le noyau de nos cellules. Les chromosomes forment une succession de « pelotes » dans lesquelles se regroupent plusieurs gènes qui peuvent ainsi être régulés de manière coordonnée au cours du développement. En clair ces « pelotes » isolent des groupes de gènes intervenant de façon concertée lors d’étapes cruciales du développement de l’embryon, mais aussi à l’âge adulte. Nature présente ces travaux innovants en ligne le 11 avril 2012.

Le support du matériel génétique, les chromosomes, confinés dans un espace de quelques micromètres, peuvent mesurer une fois dépliés jusqu’à la longueur d’un bras. Si l’on comparait le noyau d’une cellule à une balle de tennis, un chromosome mesurerait 5 kilomètres. Et il n’y en a pas qu’un seul ! Chez les humains, par exemple on compte 23 paires de chromosomes dans chaque noyau cellulaire. Les chromosomes se compactent, se replient, s’enchevêtrent et s’entremêlent au cœur du noyau.
Alors les chromosomes, un plat de spaghettis dans le noyau des cellules ? « Pas tout à fait » explique Elphège Nora, post-doctorant à l’Institut Curie qui a réalisé ce travail. « Les chromosomes possèdent une réelle organisation spatiale et celle-ci est essentielle à leur fonctionnement. »
 
Un chromosome, ça ressemble…. à une série de pelotes !
L’équipe d’Edith Heard, directrice CNRS du laboratoire Génétique et biologie du développement (Institut Curie/CNRS/Inserm) en collaboration avec celle de Job Dekker (UMass Medical School, Worcester, USA) vient en effet de découvrir une nouvelle règle d’organisation spatiale. « Les chromosomes forment une succession de « globules », des sortes de « pelotes » d’une taille de 100 000 paires de bases à 1 million de paires de bases » explique la chercheuse. Pour mémoire, la paire de base (abrégée par les fameux A, C, G, T) est l’unité du génome et un chromosome peut, chez les humains, mesurer plus d’une centaine de millions de paires de bases.

« Mais la grande nouveauté, c’est que cette organisation spatiale reflète l’organisation fonctionnelle du chromosome » ajoute Edith Heard. Cette organisation permet de regrouper dans une même « pelote » jusqu’à une dizaine de gènes (1), voire plus. On trouve également dans ces « pelotes » des séquences dites régulatrices, qui peuvent contrôler – tels des interrupteurs – l’activité des gènes qu’elles contactent physiquement. Ainsi compactés ensemble au sein de la même pelote chromosomique, un groupe de gènes – bien que s’étalant sur plusieurs centaines de milliers de paires de bases – peuvent donc partager les mêmes séquences régulatrices, et leur activité peut ainsi s’en trouver coordonnée.

« Nous savons depuis des décennies que l’ADN est enroulé autour des nucléosomes pour former la structure « classique » dite du collier de perles. Notre nouvelle étude indique que cette structure se replie pour former une nouvelle organisation dans laquelle plusieurs gènes sont regroupés en pelote » explique Job Dekker, co-directeur du programme de Biologie des Systèmes à l’université du Massachussetts (University of Massachusetts Medical School). « Cette organisation des chromosomes constitue un degré de repliement jusqu’à présent inconnu, et nous pensons qu’elle représente un principe d’organisation fondamental des génomes. »

Cette découverte lève le voile sur une grande inconnue de la génétique, à savoir comment une altération à un endroit du génome peut perturber l’expression de gènes situés à plusieurs dizaines, voire milliers de paires de bases.
Un dommage au sein d’une « pelote » peut en effet avoir des conséquences sur tous les gènes qu’elle contient. Alors cet agencement ne sensibilise-t-il pas plus la cellule qu’il ne la protège ? « Cette organisation permet de rapprocher plusieurs éléments distants pour les soumettre aux mêmes influences. Ainsi à certains moments du développement il devient possible d’orchestrer finement l’activité de gènes très éloignés sur le chromosome linéaire mais qui sont en réalité très proches dans le noyau de la cellule. » explique Elphège Nora. « Une seule mutation peut donc avoir des effets sur tout un groupe de gènes si elle affecte l’organisation d’une de ces « pelotes» chromosomique« .
« Le noyau d’une cellule est rempli de gènes et la cellule doit impérativement savoir à quel moment allumer ou éteindre ceux-ci, complète Job Dekker. En regroupant les gènes dans des pelotes qui les isolent, la cellule a trouvé une solution pour réguler de manière coordonnée des groupes de gènes sans interférer avec les autres. »
Le point de vue d’Edith Heard

L’organisation spatiale, un coupe-file à travers le chromosome

© Noak/Le Bar Floreal/Institut Curie
« Ces principes ont été découverts en étudiant une portion essentielle du chromosome X, le centre d’inactivation (dont l’équipe d’Edith Heard est spécialiste). Grâce à la publication en parallèle de l’équipe de Bing Ren à l’Université de San Diego (Californie, Etats-Unis), nous pouvons extrapoler la nouvelle organisation que nous avons découverte sur le chromosome X à l’ensemble des chromosomes, non seulement chez la souris mais aussi chez l’humain.
Ainsi, au-delà de l’avancée fondamentale, ces études ouvrent de nombreuses perspectives pour la compréhension de certaines pathologies, comme les maladies génétiques. En effet, celles-ci sont dues à des mutations de la séquence d’ADN qui entraînent le dérèglement de l’activité de certains gènes. Or, il arrive que ces mutations ne se trouvent pas directement dans le gène déréglé, mais dans son voisinage chromosomique. Jusqu’alors, trouver cette mutation dans le chromosome relevait du problème de l’aiguille dans la botte de foin. Grâce à cette découverte, les recherches pourront maintenant être canalisées vers la portion du chromosome la plus susceptible d’interagir avec le gène déréglé, c’est-à-dire à la pelote chromosomique à laquelle il appartient. »
Note
(1) Les gènes sont les régions du génome qui dictent la composition des protéines

 

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TRANSGENSE

 

 

 

 

 

 

 

TRANSGENÈSE, MUTAGENÈSE ET GÉNOMIQUE FONCTIONNELLE CHEZ LES MAMMIFÈRES

Conférence du 29 janvier 2000 par Daniel Metzer. La connaissance des génomes de l'homme et de la souris sera acquise dans moins de cinq ans. Leur comparaison révélera l'existence de dizaines de milliers de gènes, jusqu'alors inconnus, dont la fonction devra être établie. Cela nécessitera des études non seulement au niveau moléculaire et cellulaire, mais aussi à des niveaux de complexité supérieurs représentés par les tissus et organes, et finalement l'animal et l'homme dans leur globalité. La souris est un excellent modèle pour définir les fonctions des gènes humains car elle présente de grandes similitudes génétiques, immunologiques, reproductives, physiologiques et pathologiques avec l'homme. De plus, on dispose actuellement d'outils performants pour manipuler le génome de cet animal. Il est en effet possible, grâce à la transgenèse, d'insérer un gène normal ou modifié dans son génome, et de l'exprimer sélectivement à un endroit donné. On peut également modifier ou altérer un gène défini par recombinaison homologue, et induire des mutations somatiques de ce gène dans des cellules ou tissus choisis, et à un moment défini de la vie de l'animal. L'ensemble de ces techniques, récemment mises au point, permettra d'approfondir les études de la fonction des gènes chez la souris, et d'établir plus facilement des "modèles souris" de maladies humaines. De plus, les techniques de mutagenèse utilisées chez la souris auront des applications en thérapie génique. En effet, il est envisageable de remplacer des gènes mutés, ou de diriger l'expression de transgènes, dans des cellules somatiques déficientes prélevées sur des malades, et de les réinjecter, après la modification génétique, à ces patients. Ainsi, la transgenèse, la mutagenèse et la génomique fonctionnelle devraient avoir de nombreuses retombées positives en santé humaine.

 

Texte de la 29ème conférence de l'Université de tous les savoirs réalisée le 29 janvier 2000
par Daniel Metzger

Transgenèse, mutagenèse et génomique fonctionnelle
Introduction
Un des objectifs de la biologie moderne est de comprendre comment un organisme complexe
comme l'homme se développe à partir d'une cellule, vit dans son environnement et se
reproduit. Il est clair qu'un programme génétique régit ces évènements, et que l'ADN est le
support de l'information. La compréhension des mécanismes qui régulent la prolifération et la
différenciation cellulaires à l'état normal et pathologique est donc d'importance majeure. Les
cellules acquièrent au cours du développement des fonctions variées, notamment en
exprimant des protéines différentes. La transgenèse et la mutagenèse sont des outils puissants
pour étudier ces évènements complexes. Ils permettent également de réaliser des modèles
animaux de pathologies humaines, de proposer des diagnostics et de mettre au point des
thérapies. Enfin, la transgenèse peut être utilisée comme moyen de production de molécules
biologiques d'intérêt.
L'ADN est une macro-molécule constituée de quatre éléments de base, les nucléotides A, T, C
et G. Il est localisé dans le noyau des cellules sous forme bicaténaire et constitue les
chromosomes. Les gènes sont constitués de séquences d'ADN qui codent pour les protéines et
de séquences d'ADN régulatrices (promoteur/enhancer), qui permettent de réguler
l'expression de la région codante. Une machinerie cellulaire permet de transcrire l'information
contenue dans le gène en une molécule monocaténaire, qu'on appelle l'ARN messager
(ARNm). L'ARNm commande l'enchaînement d'acides aminés dans un ordre déterminé, et
permet ainsi la synthèse de protéines spécifiques ayant des fonctions structurales, de
signalisation ou une activité enzymatique.
Chaque individu possède un patrimoine génétique différent. Le génotype désigne
l'information caractéristique qui est contenue dans son génome. Le phénotype est constitué
des caractéristiques physiques visibles de cet individu, qui sont déterminées par sa
constitution génétique.
L'étude des gènes et des fonctions des protéines
Différentes disciplines permettent d'étudier la fonction des gènes et des protéines.
- La biochimie permet d'étudier la structure et la fonction des protéines in vitro.
- La pharmacologie permet d'analyser la fonction des protéines en modifiant leurs propriétés
par des ligands.

- La génétique, par mutagenèse et transgenèse, modifie le génotype pour analyser le
phénotype résultant de cette modification. Ceci peut être réalisé avec des lignées cellulaires
ou des animaux comme la drosophile, le nématode, le poulet ou la souris.
D'ici quelques années, les séquences complètes du génome de l'homme et de la souris seront
établies. Ceci permettra de mettre en évidence des dizaines de milliers de gènes inconnus,
dont il faudra trouver la fonction au niveau moléculaire, tissulaire, ainsi que dans l'organisme
entier. Aux techniques classiques de biologie moléculaire et de génétique, s'ajoutent la bioinformatique
qui est un outil puissant de comparaison et d'analyse des séquences d'ADN. La
transgenèse vient compléter cet éventail avec le formidable potentiel qu'elle offre de pouvoir
modifier à la demande n'importe quel gène, et ainsi de pouvoir étudier sa fonction
physiologique au niveau de l'organisme entier .
La souris comme modèle animal
Pour comprendre la fonction des gènes, il est essentiel de réaliser des études génétiques. La
souris est un très bon modèle animal, car relativement proche de l'homme. En effet, c'est un
mammifère, et la taille de son génome et le nombre de ses gènes sont similaires à ceux de
l'homme. L'élevage de la souris est relativement aisé grâce à sa petite taille, sa maturité
sexuelle rapide (six à huit semaines), sa période de gestation relativement courte (trois
semaines), et son coût modéré. De plus, des techniques permettant de modifier le génome par
transgenèse "classique" dans le but de surexprimer un gène ou d'exprimer un gène muté, et
par invalidation spécifique de gènes sont disponibles dans cet organisme. Ces outils
génétiques, que nous allons décrire, permettent non seulement sur le plan fondamental de
mieux comprendre la fonction des gènes, mais également de produire des animaux qui portent
des mutations similaires à celles présentes dans des maladies génétiques humaines. Ainsi,
l'identification des gènes responsables de déficiences chez la souris permet non seulement de
faciliter les diagnostics et la compréhension de maladies humaines, mais également de créer
des modèles animaux permettant de réaliser des essais thérapeutiques pour faciliter la mise en
place de traitements.

La transgenèse classique

La transgenèse "classique" permet l'insertion d'un fragment d'ADN dans le génome et
l'expression du gène qu'il porte. Pour établir un organisme transgénique pour un gène donné
par transgenèse "classique", celui-ci est tout d'abord cloné et modifié in vitro afin de
permettre son expression. Le mini-gène (ou transgène) est injecté dans le pronucléus mâle de
l'oeuf fécondé de la souris, qui est ensuite réimplanté dans une mère porteuse [figure 1]. Les
souriceaux issus de ces oeufs sont analysés pour vérifier la présence et l'expression du
transgène. Le transgène est en général intégré au hasard dans le génome. Les souris portant le
mini-gène dans la lignée germinale sont sélectionnées pour établir des lignées transgéniques.
Les mini-gènes sont utilisés en général pour exprimer une protéine d'intérêt. Pour diriger son
expression, la séquence codante de l'ADN doit être précédée d'une séquence d'ADN
promotrice. La transgenèse permet également d'étudier les séquences promotrices. En plaçant
le promoteur en amont d'une séquence codante d'une protéine facilement visualisable
(enzyme, protéine fluorescente, etc.), il est aisé de déterminer les types cellulaires dans
lesquels le gène est exprimé, et les séquences d'ADN spécifiant cette expression. Certains
promoteurs sont actifs dans toutes les cellules, alors que d'autres ne sont actifs que dans des
types cellulaires donnés. De plus, ils peuvent être actifs seulement pendant certains stades de
développement ou de la vie adulte, ou être inductibles.
Les manipulations génétiques chez la souris nécessitent un équipement spécialisé et un
personnel hautement qualifié. Pour établir une lignée de souris transgénique il faut près d'un
an. Malgré ces difficultés, cette approche est largement utilisée. Notons cependant que cette
technologie ne permet pas d'abolir l'expression du gène endogène. A la fin des années 1980,
une autre technologie, permettant d'inactiver un gène donné ou de le remplacer par un gène
muté, a été mise en place.

3
ETABLISSEMENT DE SOURIS TRANSGENIQUES:
SCHEMA GENERAL
Collecte des oeufs
12 h après accouplement
DM T6 4/99
Injection de l’ADN
Transplantation des oeufs
chez une mère porteuse
Analyse des souris
issues des oeufs injectés
?
dans le pronucleus mâle
Invalidation ciblée de gènes
Les techniques de recombinaison homologue permettent de modifier spécifiquement un gène,
c'est-à-dire de remplacer un gène donné par un gène qui porte une mutation déterminée
(contrairement à la transgenèse classique, où l'intégration du transgène a lieu au hasard). Pour
4
ce faire, le gène doit être cloné et la mutation crée in vitro. Un gène de résistance à un
antibiotique est également inséré dans le fragment d'ADN muté. Le gène muté est ensuite
introduit dans les cellules par électroporation. Comme les évènements de remplacement par
recombinaison homologue sont très rares dans les cellules de mammifère, les cellules ayant
intégré de l'ADN sont tout d'abord sélectionnées, à l'aide de l'antibiotique correspondant au
gène de résistance inséré dans le transgène, puis celles qui ont remplacé le gène cible par
recombinaison homologue sont identifiées par analyse de leur ADN.
Pour établir des souris portant des mutations ciblées, des cellules ES (cellules embryonnaires
souches) sont utilisées. Ces cellules, qui sont isolées à partir d'un embryon précoce
(blastocyste), ont la propriété de pouvoir être cultivées et manipulées in vitro, tout en gardant
leur capacité de différenciation. Les cellules ES modifiées par recombinaison homologue sont
réintroduites dans des blastocystes, qui sont réimplantés dans des souris porteuses [figure 2].
Comme les cellules ES sont issues d'un embryon d'une lignée de souris au pelage brun
(caractère génétique dominant) et que les blastocystes injectés proviennent de souris au
pelage noir, les souriceaux dont une partie des cellules sont issues des cellules ES modifiées
sont reconnaissables par les taches de couleur brune sur un pelage noir. Ces animaux sont
chimériques non seulement au niveau de leur pelage, mais également dans les autres organes;
ils sont constitués des cellules de type sauvage et des cellules portant la modification
génétique introduite dans les cellules ES. Les animaux chimériques portant la mutation à l'état
hétérozygote dans la lignée germinale sont identifiés après croisement avec des souris de
pelage noir, en analysant le génotype des descendants de couleur brune. Les souris portant
deux copies du gène muté (et donc aucune copie du gène sauvage) sont obtenues à la
génération suivante, en croisant les souris brunes portant la mutation à l'état hétérozygote
entre elles.

5
La technologie d'invalidation de gène par recombinaison homologue (knock-out ou
mutagenèse ciblée [figures 3]) permet ainsi de produire des souris portant une mutation
définie d'un gène donné dans toutes les cellules d'un animal, de l'oeuf fécondé jusqu'à l'âge
adulte. Notons que cette technique est encore plus sophistiquée que la transgenèse classique,
et que près de deux ans sont nécessaires pour établir des lignées de souris mutées par
recombinaison homologue. Mise au point vers la fin des années 80, elle est très puissante et
largement utilisée dans le monde. Plus de 1000 gènes ont été mutés par recombinaison
homologue à l'heure actuelle. Elle présente cependant un certain nombre de limitations. En
effet, il arrive que le gène invalidé soit essentiel pour le développement embryonnaire,
empêchant de ce fait la production des souris adultes portant la mutation; la fonction de ce
gène ne pourra donc pas être étudiée chez l'adulte. Au contraire, dans certains cas,
l'invalidation de gènes n'induit pas de phénotype. Ceci peut résulter de compensations
fonctionnelles au cour du développement, notamment lorsque le gène appartient à une famille
de gènes ayant des fonctions similaires. De plus, lorsqu'un phénotype est observé, il est
difficile de déterminer si les anomalies au niveau d'un organe ou d'un type cellulaire donné
résultent de l'absence du gène dans cet organe ou bien de son absence dans une structure
embryonnaire qui empêche la formation de cet organe, par exemple, ou encore de l'absence
d'un facteur de croissance synthétisé dans un autre organe, indispensable à la fonction de
l'organe affecté chez l'adulte. Pour les gènes ayant des fonction diverses, au niveau de
plusieurs organes, l'invalidation peut avoir de nombreux effets, compliquant ainsi l'analyse de
la fonction du gène au niveau d'un type cellulaire donné. Enfin, cette technologie ne permet
pas d'établir de bons modèles animaux de maladies humaines causées par des mutations
somatiques (c'est à dire des mutations apparaissant dans une cellule au cours de la vie) ou une
accumulation de mutations somatiques de plusieurs gènes, comme par exemple pour les
cancers.
Il était donc important d'établir un système permettant de muter spécifiquement un gène
donné, à un moment précis et dans un type cellulaire donné chez la souris.

MUTAGENESE SOMATIQUE CIBLEE
Souris de type
Souris mutée (via recombinaison homologue dans les cellules
Souris mutée (contrôle spatial ou temporel)
inducteur
DM pub 1-05/00

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La mutagenèse somatique conditionnelle
Un des systèmes les plus prometteurs pour réaliser des mutations somatiques conditionnelles
est basé sur les propriétés d'une protéine d'un bactériophage, la recombinase Cre. En effet, la
recombinase Cre reconnaît spécifiquement de petites séquences d'ADN de 34 paires de bases
appelées sites LoxP. Elle excise le segment d'ADN contenu entre deux sites LoxP et laisse en
place un site LoxP. La recombinase Cre est active non seulement chez les bactéries, mais
également chez la levure, les plantes et les animaux. Les techniques de transgenèse
"classique" chez la souris permettent de diriger l'expression de la recombinase Cre dans un
type cellulaire donné, ou d'activer son expression à l'aide d'inducteurs, en utilisant des
promoteurs appropriés. Les sites LoxP peuvent être introduits dans un gène donné chez la
souris, par recombinaison homologue dans les cellules ES. La mutation du gène portant les
sites LoxP pourra être réalisée soit dans un type cellulaire donné (mais sans contrôler le
moment), soit à un moment choisi (mais dans toutes les cellules de l'organisme), en fonction
des caractéristiques du promoteur utilisé pour exprimer la recombinase Cre [figure 4]. Cette
mutagenèse est spécifique, car les gènes qui ne portent pas de sites LoxP ne sont pas affectés,
mais elle ne permet pas d'avoir un contrôle spatio-temporel de la mutation du gène cible.
Allèle ciblé
Gène “floxé”
Vecteur d’inactivation
Mutagenèse somatique conditionnelle chez la souris



7
Pour obtenir un contrôle spatio-temporel [figure 5] de la délétion du fragment d'ADN situé
entre les sites LoxP, nous avons établi au laboratoire une protéine chimérique comprenant la
recombinase Cre et une région d'une protéine dont l'activité est inductible par un ligand (le
domaine de liaison du ligand du récepteur des oestrogènes). En absence d'inducteur
(l'oestradiol), cette protéine chimérique (Cre-ER) est inactive. Par contre, lorsque les cellules
sont traitées à l'oestradiol, l'activité recombinase est induite, ce qui entraîne la délétion
spécifique du fragment d'ADN compris entre les sites LoxP. La protéine chimérique a été
modifiée dans un deuxième temps pour produire la recombinase appelée Cre-ERT, qui est
activable par un ligand synthétique, tel que le Tamoxifène (Tam), mais plus par les ligands
endogènes (e.g. l'oestradiol), qui auraient entraîné une activation non contrôlée de la
recombinase chimérique.

inducteur
MUTAGENESE SOMATIQUE
DM pub 2-05/00
Souris de type
Souris mutée (via recombinaison homologue dans les cellules
Souris mutée (contrôle spatio-temporel)
Pour tester l'efficacité de cette recombinase chimérique chez la souris, des souris
transgéniques exprimant Cre-ERT sous le contrôle d'un promoteur viral, actif dans de
nombreux types cellulaires, ont été établies. Pour visualiser l'activité de la protéine, ces souris
ont été croisées avec des souris portant un transgène LacZ codant pour une enzyme, la β-
galactosidase, qui produit une coloration bleue en présence de substrat. Une séquence "stop"
encadrée de deux sites LoxP, introduite entre le promoteur et le gène LacZ, bloque son
expression. Lorsque Cre-ERT est active, la séquence "stop" est excisée, et le gène LacZ est
exprimé. Dans l'épiderme, le promoteur utilisé pour exprimer Cre-ERT n'est fonctionnel que
dans les cellules des couches supérieures. En l'absence de ligand de Cre-ERT, aucune
coloration bleue n'est détectée sur des coupes d'épiderme d'animaux transgéniques. Par contre,
après deux à trois jours de traitement au Tamoxifène, toutes les cellules de la couche
8
supérieure de l'épiderme présentent une coloration bleue, indiquant que le gène LacZ est
exprimé, et donc que la délétion du fragment d'ADN situé entre les sites LoxP a été induite
dans un type cellulaire donné et à un moment choisi chez ces animaux.
Pour réaliser une mutagenèse somatique conditionnelle chez la souris, il suffit donc d'encadrer
le gène cible, ou des régions essentielles de ce gène, de sites LoxP par recombinaison
homologue dans les cellules ES [figure 6]. Pour éliminer le marqueur de résistance nécessaire
à la sélection des cellules ES recombinées, mais pouvant interférer avec l'expression du gène,
celui-ci est lui même encadré de sites LoxP. Ainsi, en exprimant la recombinase Cre de façon
transitoire dans les cellules ES modifiées par recombinaison homologue, des cellules ayant
sélectivement excisé le marqueur de sélection peuvent être identifiées. Ainsi la seule
modification génétique présente dans ces cellules ES est l'insertion des deux sites Lox dans le
gène cible, ces deux sites étant évidemment placés de façon à ne perturber en aucun cas
l'expression du gène. Des souris portant cette modification sont ensuites établies à partir de
ces cellules; elles présentent un phénotype de type sauvage, car le gène est toujours actif.
Elles sont ensuite croisées avec des souris transgéniques exprimant la recombinase Cre-ERT
dans les cellules cibles, grâce à un promoteur actif sélectivement dans ces cellules. La
délétion des séquences situées entre les sites LoxP pourra alors être induite par simple
traitement des animaux avec le Tamoxifène. Les autres gènes dans ces cellules ne subiront
aucune modification. Dans les cellules où Cre-ERT n'est pas exprimée, on n'aura évidemment
aucune modification génétique.

9
Ainsi, les outils permettant spécifiquement d'invalider un gène donné à un moment choisi
existent. Les souris transgéniques Cre-ERT sont également d'un grand intérêt pour réaliser un
contrôle spatio-temporal de l'expression d'un transgène. En effet, en utilisant une stratégie
similaire à celle utilisée plus haut pour le gène LacZ, il est possible d'induire spécifiquement
l'expression d'un transgène pour étudier sa fonction. Il est également possible d'induire
l'expression d'un gène toxique dans une lignée cellulaire définie, et ainsi de déléter
spécifiquement des types cellulaires chez la souris, pour étudier le rôle physiologique de ces
cellules dans un organisme complexe. D'autre part, en induisant l'expression d'un marqueur à
un moment donné, il est possible de suivre les descendants d'une cellule au cours du
développement, c'est à dire de faire un lignage cellulaire. Enfin, en encadrant un transgène par
des sites LoxP il est possible d'abolir à volonté l'expression de ce gène.

Conclusion
À l'heure actuelle, les scientifiques ont donc à leur disposition un certain nombre d'outils pour
modifier le génome de la souris, par transgenèse "classique", par invalidation ciblée de gène,
et plus récemment par mutagenèse somatique conditionnelle. Ces techniques sont très
sophistiquées et coûteuses, mais ont des applications très importantes. Notons cependant les
principales limitations liées à l'utilisation de la souris pour réaliser des modèles animaux de
maladies humaines. En effet, le phénotype obtenu suite à l'invalidation d'un gène n'est pas
forcement identique à la maladie génétique humaine correspondante. Ceci peut être lié à des
voies biochimiques différentes entre espèces, ou à une redondance fonctionnelle plus
importante chez la souris que chez l'homme. De plus, certaines voies de signalisation peuvent
être absentes ou différentes d'une espèce à l'autre. Comme l'organisation du cerveau n'est pas
identique chez la souris et l'homme, les résultats issus d'études réalisées chez la souris ne
seront pas directement transposables à l'homme. Enfin, la durée de vie de la souris étant
beaucoup plus courte que celle de l'homme, la souris n'est pas, en général, le meilleur modèle
pour l'étude des maladies dégénératives. Les techniques de transgenèse ont également des
limitations intrinsèques. En effet, les séquences codantes du gène sont généralement utilisées,
et clonées en aval d'une région promotrice. De ce fait certains éléments de régulation de
l'expression du gène sont absents, conduisant à des niveaux ou de profils d'expression
différents de ceux du gène endogène. Le site d'intégration du transgène peut également
induire des modifications de l'expression du transgène.
En plus de l'étude de la fonction des gènes, de la régulation de leur expression et de la
création de modèles animaux de maladies humaines, la transgenèse à d'autres applications,
notamment la production de molécules d'intérêt biologique. Dans ce cas, des organismes plus
grands que la souris sont généralement utilisés, par exemple le mouton, le lapin ou la vache.
La mutagenèse ciblée de gènes n'est cependant pas réalisable pour le moment chez ces
animaux, les techniques de recombinaison homologue dans les cellules souches n'étant pas
disponibles. Les techniques de mutagenèse utilisées chez la souris auront également des
applications intéressantes en thérapie génique. En effet, il est envisageable de remplacer des
gènes mutés, ou de diriger l'expression de transgènes, dans des cellules somatiques déficientes
prélevées sur des malades, et de les réinjecter, après la modification génétique, à ces patients.
Ainsi, la transgenèse, la mutagenèse et la génomique fonctionnelle devraient avoir de
nombreuses retombées positive en santé humaine. Bien que très prometteuses, ces techniques
doivent maintenant faire leurs preuves en matière d'efficacité à long terme et d'innocuité
totale chez l'homme.

 

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