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.

 

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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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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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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.

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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
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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.

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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



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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
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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.

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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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Texte de la 10ème conférence de l'Université de tous les savoirs réalisée le 10 janvier 2000 par André Langaney

Les bases génétiques de l'évolution humaine

Pour parler de l'évolution humaine, il faut d'abord évoquer lévolution des ancêtres des humains actuels, c'est d'abord 3 milliards 800 millions d'années d'histoire de la vie, une histoire pré-humaine à 99'9%. Ceux qui ont constitué lessentiel de notre généalogie n'étaient pas des hommes. Cela a été l'objet d'un grand débat, de lourdes polémiques. En 1619, un prêtre italien, Jules César Vanini a eu la langue arrachée, a été strangulé et brûlé vif, si lon peut dire, sur la place publique à Toulouse, pour avoir proposé, entre autres choses, que les hommes descendaient de singes. Ceci deux siècles avant Darwin à qui lon attribue trop souvent cette idée, et un siècle et demi avant Lamarck, qui lavait écrite huit ans avant la naissance de Charles Darwin. Ces idées, depuis, ont été confirmées dans le cadre d'une théorie énoncée pour la première fois par le même Jean-Baptiste de Monet, chevalier de Lamarck : la théorie de l'évolution des espèces.
Il est possible d'établir une classification des espèces vivantes d'après la structure moléculaire dune enzyme présente dans toutes les cellules de toutes les espèces vivantes : le cytochrome C. Celui-ci a été étudié depuis plus de trente ans chez de très nombreuses espèces. La séquence de la partie active de cette protéine est, à peu de chose près, la même dans les différentes espèces, mais il y a des différences entre les parties non actives de ces séquences, différences d'autant plus grandes que les espèces sont moins parentes dans la classification des espèces. Si tous les cytochromes sont pareils, c'est parce que ce sont des variantes du même gène initial qui ont été héritées à travers la généalogie commune de toutes les espèces. Cela implique donc que toutes ces espèces aient une origine commune. Ce qui a été découvert sur le cytochrome est vrai pour toutes les autres grandes molécules qui assurent les fonctions principales de la vie : reproduction, synthèse des protéines, établissement des structures cellulaires et, pour la plupart des êtres vivants, sexualité.

Une séquence d'ADN a été trouvée chez la mouche du vinaigre, la célèbre drosophile des généticiens, qui code des gènes organisant le corps de cette mouche d'avant en arrière. Cette découverte du groupe de Walter Gehring, à Bâle, montre que, contrairement à ce que tous les biologistes moléculaires avaient cru jusque-là, il peut y avoir parfois, dans un organisme, dans son patrimoine génétique, sur un chromosome, sur une molécule d'ADN, une sorte de plan préétabli de cet organisme.

Dautres gènes organisateurs vont faire que l'animal a un ventre et un dos, quil est segmenté en anneaux, comme l'abdomen de cette mouche du vinaigre ou comme son thorax. Il y en a évidemment dans toutes les espèces qui ont des propriétés semblables. Un groupe américain a retrouvé presque exactement la même séquence de gènes organisateurs avant- arrière et de segmentation chez l'embryon de souris, même si l'avant et larrière y sont plus difficile à définir. Cela signifie qu'un ancêtre commun, déjà organisé d'avant en arrière et segmenté, existe entre la mouche du vinaigre et l'ensemble des vertébrés, jusqu'à l'homme. Nous, humains, avons un corps organisé d'avant en arrière, de haut en bas, et qui est segmenté comme celui de la mouche du vinaigre, sauf que nos segments sont à l'intérieur au lieu d'être extérieur : ce sont nos vertèbres. Les gènes organisateurs font que le plan fondamental des organismes est le même chez les vertébrés et chez les invertébrés. Cela signe donc une incroyable parenté de tous les êtres vivants.

Cette parenté se retrouve au niveau des chromosomes. La comparaison des chromosomes, les supports du matériel génétique, de l'homme et du chimpanzé montre qu'ils sont aussi nombreux et sont très semblables par leurs anneaux colorables, si ce n'est que le grand chromosome 2 humain n'a pas d'équivalent chez le chimpanzé. Le chimpanzé, lui possède deux petits chromosomes qui n'ont pas d'équivalents chez l'homme, à moins de les recoller, auquel cas ils forment un chromosome 2 humain parfait. Il est clair que, soit un ancêtre commun à l'homme et au chimpanzé avait la structure du chimpanzé et les deux chromosomes ont fusionné, soit, à l'inverse, il y avait un chromosome de type humain qui s'est partagé. La comparaison avec d'autres espèces prouve que l'ancêtre commun avait la même structure que le chimpanzé, et que, sur la seule lignée humaine, il y a eu une fusion pour donner ce nouveau chromosome n°2.

Il est vraisemblable qu'un événement comme celui-là ne s'est produit qu'une seule fois. Il a fallu partir d'un petit groupe dans lequel cette anomalie a eu l'occasion de se reproduire. Cela veut dire qu'à certains moments, à chaque fois qu'il s'est passé des choses comme cela, nos ancêtres sont repartis de populations de très petits effectifs, seules capables de "fixer" de telles mutations rares. L'origine des espèces n'est donc certainement pas toujours ce qu'imaginaient Charles Darwin ou Jean Lamarck : de grandes populations mères qui se séparent en deux ou trois grandes populations filles, lesquelles deviennent de plus en plus différentes. Ce dernier cas, cest celui des espèces dites "jumelles" ; cela existe de temps en temps, mais ce n'est pas le cas général. Le cas le plus fréquent, c'est sans doute le bourgeonnement, à partir d'une espèce- mère d'une petite population dans laquelle vont s'établir des différences de structures chromosomiques, lesquelles vont aboutir à l'inter- stérilité entre l'ancienne et la nouvelle espèce. Par exemple, on a pu montrer que, depuis un ancêtre commun qui vivait il y a quatre à sept millions d'années, jusqu'à l'homme d'un côté et jusqu'au chimpanzé de l'autre, il y a eu au moins neuf fois où lon est repartis à partir de peu dindividus porteurs dune nouvelle mutation chromosomique importante, qui se sont reproduits entre eux.
L'histoire des chromosomes de l'ensemble des primates a été décrite par Bernard Dutrillaux, du CNRS. Les cercopithèques de la forêt dAfrique équatoriale ne présentent pas toujours une séparation très claire de leurs espèces deux à deux, mais se croisent parfois entre espèces ou pré-espèces interfécondes, formant une sorte de "patate évolutive", aux limites internes floues et dont les racines correspondant aux espèces qui en sortent. En forêt dAfrique équatoriale, par exemple, il y a une vingtaine d'espèces de petits cercopithèques différentes, adaptées à des environnements légèrement différents, dont les individus, en principe, forment des populations qui se reproduisent entre elles. Mais il arrive des accidents de deux types : d'abord, que tous les membres d'une même espèce n'aient pas la même formule chromosomique; ensuite, que les membres de deux espèces différentes s'hybrident et produisent des hybrides féconds. Dans un cas comme celui-là, il est clair que ces espèces sont récentes et ne sont pas encore bien séparées. On est donc obligé d'admettre que les ancêtres des différentes espèces ont pu échanger de temps en temps un chromosome et quelques gènes pendant un certain temps après le début de leur séparation, ce qui veut dire que celle-ci ne sest pas faite par des "dichotomies", des séparations en deux des généalogies, semblables pour tous les chromosomes et tous les gènes. Avec de tels échanges génétiques après le début de la formation des espèces, deux chromosomes ou deux gènes peuvent avoir des histoires généalogiques différentes au sein dun même groupe despèces proches.

Et ceci s'est produit aussi sur la lignée humaine. Pour un certain nombre de chromosomes, l'homme, le chimpanzé et le gorille sont exactement semblables. Pour d'autres chromosomes, les plus nombreux, l'homme et le chimpanzé sont semblables, le gorille est différent. Pour d'autres, le chimpanzé et le gorille sont semblables, l'homme est différent. Enfin, il y a un tout petit chromosome, le n°15, pour lequel le gorille et l'homme sont semblables et le chimpanzé est différent. D'après le chromosome n°15, vous supposeriez un ancêtre commun à l'homme et au gorille, et puis, avant, un ancêtre qui aurait été commun avec le chimpanzé. Mais si vous prenez le chromosome n°2, par exemple, vous allez avoir l'homme et le chimpanzé d'abord, et puis le gorille qui se rattachera après. Ces deux histoires sont incompatibles, ce qui veut dire que la séparation des espèces ne s'est pas toujours faite deux à deux ou bien trois à trois, comme on le supposait autrefois. Pendant un certain temps et cela complique beaucoup certaines études de génétique entre les espèces -, les ancêtres de plusieurs espèces ont pu être interféconds, et la séparation de ces espèces n'a pas été aussi nette, deux à deux, quon le croit souvent encore.
Lucy, l'australopithèque de l'Afar, est reconstituée en jolie petite pygmée au Muséum dhistoire naturelle de Genève et cest par contre un chimpanzé qui marche debout au Musée de lHomme de San Diego, en Californie ! On na bien sûr aucune information sur sa pilosité, mais, poilue ou pas, elle marchait debout quand elle était à terre. Autrement, du point de vue anatomique, c'était plus un chimpanzé quun humain et elle vivait sans doute à moitié dans les arbres.

Qui étaient les ancêtres communs à l'homme et au chimpanzé ? Ces ancêtres communs sont prouvés par la biologie moléculaire, par la biologie cellulaire, par la théorie de l'évolution, par l'anatomie comparée et datés entre quatre et sept millions d'années avant nous. Tout le monde voudrait que certains australopithèques, nos seuls cousins connus de lépoque, soient les ancêtres de l'homme, mais presque personne ne voudrait que ce soient aussi les ancêtres du chimpanzé. Résultat: en trente ans de paléontologie déconcertante, on a trouvé des quantités d'ancêtres possibles de l'homme et jamais un seul ancêtre du chimpanzé ! Pourtant, il avait bien des ancêtres, ce chimpanzé ! Comme les australopithèques, par la démarche debout, verticale, ressemblaient plus à l'homme, même si, par leur crâne et par le reste, ils ressemblaient plus au chimpanzé, le grand problème, ce n'est pas l'hominisation, qui est un chose simple : inventer l'homme à partir de Lucy, qui marche debout, tout le monde en est capable ! Mais inventer le chimpanzé à partir dun cousin de Lucy, semblait plus difficile. Alors, il faudra y penser car le chimpanzé avait des ancêtres et, en ces temps reculés, on ne connaît que des australopithèques.

Homo habilis, daté de trois à 1,8 millions d'années, est retrouvé associé à des outils depuis 2,5 millions, puis à des restes de dépeçage collectif et à des traces dhabitations probables. Ses outils en pierre taillée le font qualifier dhumain, parce que, si les chimpanzés utilisent des outils et en fabriquent aussi, ils fabriquent plutôt des outils en bois. Quelque temps plus tard, entre 1,8 et 1,6 million dannées, apparaît Homo dit erectus et quelques autres dotés de noms très arbitraires. Déjà, les Homo habilis avaient une station verticale parfaite et ne vivaient plus dans les arbres la moitié de leur vie, comme Lucy et ses semblables. Homo erectus est franchement humain et il est associé à des outils nettement plus sophistiqués. Et puis, particularité nouvelle, il est parfois très grand : le squelette trouvé au bord du lac Turkana était celui dun jeune très grand. S'il avait continué à grandir - il est mort avant d'avoir fini sa croissance -, il aurait atteint une taille de 1,85 ou 1,90 mètre, voire plus, ce qui coupe court à la légende selon laquelle les Homo erectus n'auraient jamais mesuré plus de 1,70 mètre. Ces Homo erectus vont conquérir le monde une première fois. Ils vont se retrouver en Asie du Sud-Est, en Chine, et leurs cousins en Europe. Certains sont restés en Afrique depuis 1,6 millions dannées, mais, jusque vers 500 000 ans avant nous, on en a un peu partout. Il y en a peut-être qui ont continué un peu plus longtemps, mais, à partir de 500 000, on voit un certain nombre de fossiles bizarres, plutôt intermédiaires entre eux et nous. Si lon ne peut pas tenir de grands discours sur ce qui s'est passé dans cette transition, c'est d'abord parce qu'on n'a pas presque pas d'informations, les fossiles de cette période étant rares et, de plus, mal datées pour des raisons techniques.
Depuis 100 000 ans, il y a des hommes modernes, ayant le même squelette que nous, en Palestine et peut-être en Éthiopie et en Afrique du Nord. Non seulement ils nous sont semblables sur le plan anatomique, mais ils enterrent leurs morts dans des tombes, les cadavres sont orientés, on retrouve, dans les sépultures, des pollens de fleurs et des offrandes aux défunts, donc des rites religieux. Mais ce qui est caractéristique, c'est, à nouveau, que lon en retrouve très peu jusqu'à 12 000 ans avant nous, jusqu'à l'invention de l'agriculture. Celle-ci apparaît à différents endroits des cinq continents entre quinze et six ou sept mille ans et les fossiles d'hommes modernes très rares jusque là, deviennent très fréquents dès que leur mode de vie change, grâce à la production de nourriture liée à lagriculture.

Il y a donc eu une grande révolution démographique dans la préhistoire parce que, pendant les neuf dixièmes des 100 000 ans, mille siècles, des humains modernes (une histoire très courte), ils ont été très peu nombreux. Cétait une espèce rare, comme tous les autres grands primates. Les chimpanzés, les gorilles, les orangs-outans, les bonobos, comptaient au plus quelques centaines de milliers d'individus pour tout le continent qui les hébergeait. Les humains, pendant très longtemps, ont sans doute été aussi quelques dizaines de milliers, quelques centaines de milliers au plus, dont la plupart n'ont pas laissé de descendants. Et puis, ils inventent l'agriculture, produisent de la nourriture par leurs jardins et leurs champs, ainsi que par l'élevage. Ils peuvent alors être vingt, trente ou quarante fois plus nombreux sur les mêmes territoires et cest le début d'un grand changement.

Des mesures de la diversité connue du système des groupes sanguins Rhésus ont été réalisées à travers le monde. Il y a, dans ce système génétique, quatre gènes principaux R0, R1, R2, qui donnent des Rhésus positifs et r qui, en double exemplaire, donne le caractère Rhésus négatif. Le classement informatique d'une vingtaine de populations à travers le monde, conduit aux résultats suivant : dabord, les répertoires de gènes sont les mêmes partout, mais les fréquences de ces gènes varient beaucoup dune population à lautre, surtout si elles ont vécu loin lune de lautre. Ensuite, les populations s'enchaînent l'une à l'autre depuis une extrémité où lon observe les populations du Sud et de l'Ouest de l'Afrique, puis de l'Est de l'Afrique, puis de l'Afrique du Nord, puis du monde indo-européen, jusquà lautre extrémité avec celles de l'Asie orientale, de l'Océanie, de l'Amérique et de la Polynésie, mélangées. L'ordinateur a ainsi retrouvé l'ordre géographique d'alignement des populations dans lancien monde et ses prolongements américain et océanien. Il y a donc une logique géographique dans les variations des fréquences génétiques du système Rhésus à travers le monde. Par ailleurs, lordre en question na pratiquement aucun rapport avec laspect physique des populations : des populations de proportions corporelles ou de couleurs de peau très différentes sont génétiquement très proches, et inversement.

Richard Lewontin, célèbre généticien nord-américain, a fait, il y a plus de trente ans, une étude qui portait sur les enzymes humaines, dont la molécule varie souvent dun sujet à un autre. Il s'est demandé quelles étaient les parts de la diversité de ces enzymes qui étaient dues aux variations entre les individus à l'intérieur d'une même population, celle qui était due aux variations entre populations d'un même continent et celle qui était due aux grandes différences intercontinentales, aux "races" géographiques. Le résultat obtenu fut que la variabilité à l'intérieur des populations représentait 86% de la variabilité totale et les autres 6 à 8 % seulement. Les différences interindividuelles étaient donc beaucoup plus importantes que les différences systématiques entre populations soit d'un même continent, soit de continents différents. Cela a été retrouvé depuis pour la plupart des autres caractères génétiques : il y a une énorme variation à l'intérieur des populations et quelques différences systématiques, mais bien peu, entre les populations d'origines différentes.

Pour faire des greffes d'organes, on a énormément de mal à trouver un donneur aléatoire compatible et on ne le trouve pas forcément dans la population du receveur sil ny en a pas parmi ses frères et sSurs. C'est pour cela que les organismes de transplantation internationaux vont parfois chercher un cSur ou un rein à l'autre bout du monde, dans une population qui n'a rien à voir ni physiquement, ni culturellement, ni du point de vue de son histoire. Le classement des populations d'après les variantes du système HLA qui conditionne les greffes dorganes est aussi lié à leur position géographique et même à la forme des continents, dans certains cas. Il ny a qu'un seul facteur qui puisse expliquer cette distribution: ce sont les migrations. Lorsque l'on fait le test statistique de la répartition des fréquences des gènes pour 80% des systèmes génétiques connus en fonction de la distance géographique entre les résidences d'origine des populations, on trouve que cette répartition géographique explique entre la moitié et 75% de la variation des fréquences des gènes.

Tout ceci confirme très clairement la similitude des répertoires de gènes à travers les populations et la variation de leurs fréquences en fonction de leurs possibilité déchanges directs ou indirects de migrants. Lorsque, après linvention de lagriculture au néolithique, les humains sont devenus très nombreux sur tous les continents, ils ont pu établir de grands réseaux de migration. Ils ont échangé assez de conjoints de proche en proche et de migrants de loin en loin pour que l'ensemble des gènes actuels soit réparti en nappes continues à la surface de la planète. Il n'y a donc pas de discontinuité génétique notoire, pas de frontières biologiques entre les populations ou des "races" humaines.
Un arbre du à Estella Poloni représente les différences génétiques observées entre des populations étudiées pour 80 systèmes génétiques répartis sur une vingtaine de chromosomes humains différents. Le résultat est une coïncidence à peu près totale entre les lieux de résidence des populations et cette carte des ressemblances génétiques, à une exception près, les Européens. Ces derniers sortent près du Proche Orient doù ils viennent, et non en Europe, où ils résident. Il faut donc penser la diversité génétique humaine, non pas en termes de populations séparées et de barrières entre ces populations, mais en termes de réseaux de migration. Il est parfaitement clair qu'à l'intérieur d'un réseau de migration, tout le monde n'est pas pareil. A l'intérieur d'une population déjà, tout le monde est différent, puisqu'on y est incompatible pour les greffes d'organes, puisqu'on y est très souvent incompatible pour la transfusion sanguine, alors que les groupes sanguins sont les mêmes partout à travers le monde et puisque quiconque peut être identifié par son physique et ses empreintes digitales ou génétiques.
Depuis 8 000 à 10 000 ans au moins, un réseau génétique s'est établi à travers le monde, de proche en proche.

Certaines portions de ce réseau sont très serrées, comme la partie centrale autour de la méditerranée, de lAfrique de lEst et de la péninsule indienne. Dautres, en Amérique, Océanie, Asie du Nord, Afrique de lOuest et du Sud, semblent plus lâches, correspondant à des colonisations moins denses et/ou plus récentes. Presque toutes les variantes des gènes existent dans le monde indo-européen, Nord-Africain, en Afrique de l'Est et dans le monde Indien. Au contraire, à la périphérie, que ce soit en Afrique de l'Ouest ou du Sud, que ce soit en Asie orientale, en Amérique ou en Océanie, les populations ont les gènes les plus fréquents du noyau central, à des fréquences souvent différentes, mais ont perdu un certain nombre de variantes rares. Les variantes rares perdues ne sont pas les mêmes en Afrique, en Océanie, en Asie orientale et en Amérique. Enfin, quelques variantes très rares n'existent qu'en Afrique ou en Océanie ou en Asie ou en Amérique, correspondant à des mutations récentes.
En 100.000 ans, depuis les premiers humains modernes connus, les populations n'ont pas eu le temps d'accumuler de nouveaux gènes à de fortes fréquences. Par contre, à une époque où les humains étaient très peu nombreux, ils ont eu le temps de perdre ici ou là des variantes quand les premiers émigrants sont allés recoloniser l'Afrique, l'Asie orientale, l'Océanie ou l'Amérique, longtemps après les premiers séjours des Homo erectus. Il n'y a aucun doute sur le fait que l'ensemble des humains modernes actuels soient issus d'une seule même souche, peu nombreuse d'Homo erectus. Ensuite, ils ont du recoloniser toute la planète. Vers 64 000 ans, ils sont arrivés en Chine du Sud, vers 50 000 ans, en Australie et en Papouasie-Nouvelle-Guinée, vers 40 000 ans, en Dordogne. Ils ont ensuite recolonisé l'Afrique à partir du Nord-Est, puis, sans doute après un premier passage infructueux il y a plus de 40 000 ans, ils ont colonisé l'Amérique. La Polynésie a été occupée nettement plus tard. Cette histoire est relativement bien connue. Elle s'est faite du temps où nos ancêtres étaient chasseurs-cueilleurs, et peu nombreux. Ce sont sans doute ces chasseurs-cueilleurs peu nombreux qui ont perdu un certain nombre de variantes génétiques du noyau central en émigrant vers leurs nouveaux territoires, tandis que les populations de ce noyau central correspondent sans doute aux descendants les plus directs de la population d'origine.

Certains caractères physiques sont répartis en fonction de la géographie dorigine des peuplements. Les couleurs de la peau, les tailles, les dimensions du corps, le fait qu'on soit plutôt petit et volumineux sous les climats froids, au Groenland, dans l'Himalaya ou dans les Andes, et plutôt grand et mince dans les déserts chauds. Les statures intermédiaire se trouvent dans les plaines tempérées ou dans les savanes tropicales.

Les couleurs moyennes de la peau ont été étudiées chez des populations aborigènes autochtones, aussi bien en Europe qu'ailleurs. Les populations à peau foncée sont originaires de la zone intertropicale, sans la moindre ambiguïté, et, dans les zones tempérées froides Nord, mais aussi Sud, il y a des populations à peau nettement moins foncée. Des explications de l'ordre de la sélection naturelle ont été proposées. Il semble bien quavoir la peau claire dans la zone intertropicale expose à de fortes fréquences de mélanomes, des cancer de la peau mortels. Les populations à peau foncée seraient moins exposées parce que la mélanine protège les noyaux cellulaires de la peau des rayons ultraviolets intensifs. Cela a été constaté, par exemple, entre les Aborigènes australiens et les surfeurs dorigines européenne : ces derniers font beaucoup plus de mélanomes que les Aborigènes. De même, les Chinois de Californie sont quatre fois plus atteints que les Chinois de Chine qui vivent à la même latitude, mais ne se mettent pas au soleil. Et puis, pour les populations qui ont émigré dans les zones tempérées froides, il semble bien que ce soit une question de biosynthèse de la vitamine D qui ait déterminé leurs couleurs moyennes de la peau. Dans les zones peu ensoleillées, la biosynthèse de la vitamine D, dans les conditions de la préhistoire, se faisait essentiellement à travers la peau et sous l'influence du rayonnement ultraviolet. Là, cette fois-ci, il y a peu de ces rayons dans les zones froides et, si on les bloque, en ayant beaucoup de mélanine dans l'épiderme, on a sans doute un risque plus grand de rachitisme par défaut de vitamine D avec une peau foncée quavec une peau claire. C'est sans doute cela qui s'est passé dans la préhistoire et qui expliquerait la répartition des couleurs de peau des populations.

Des arguments concernant lAmérique indienne où, malgré une colonisation récente, on observe cette répartition des pigmentations de la peau selon la latitude font penser que ces changements de couleur peuvent être relativement rapides. De même, des populations qui ont pratiquement le même patrimoine génétique, signant une origine commune récente à 20 000 ou 30 000 ans au plus (par exemple, entre Mélanésiens, Polynésiens et certains habitants de l'Asie du Sud-Est), ont des couleurs de peau totalement différentes, des textures des cheveux totalement différentes, des tailles totalement différentes.

Les populations d'Afrique centrale ont des tailles moyennes ou petites, elles ont les cheveux crépus, elles ont la peau très foncée, comme certains Papous ou Mélanésiens. Mais, si vous regardez les patrimoines génétiques, ils sont très différents entre ces populations physiquement semblables. Les Papous ou les Mélanésiens ont des fréquences génétiques d'Orientaux et sont beaucoup plus proches des Chinois, des Vietnamiens ou des Polynésiens que des Africains. Donc, très clairement, la ressemblance est le fruit du milieu alors que la parenté génétique est le fruit de l'histoire et de la géographie. Les Mélanésiens, les Polynésiens, et les Vietnamiens, malgré leurs différences physiques, sont beaucoup plus proches parents que les Bantous et les Papous qui, pourtant, se ressemblent plus physiquement.

L'analyse de séquences d'ADN mitochondrial chez 119 habitants du Sénégal par Laurent Graven et Laurent Excoffier montre de nombreuses différences. Il y a quelques lettres du code génétique qui sont différentes entre pratiquement chaque paire dindividus étudiés. Pascal Gagneux, à San Diego, a fait des études de la diversité de l'ensemble de notre espèce en comparant une séquence d'ADN chez 811 humains modernes. Il a aussi étudié un certain nombre de chimpanzés, une vingtaine de gorilles, un certain nombre de bonobos. Dans un même élevage de chimpanzés, on retrouve des individus dont les gènes sont séparés depuis plusieurs centaines de milliers d'années. Même chose chez les gorilles ou les orangs-outans.

Chez les humains, par contre, on trouve des séquences toutes différentes mais qui diffèrent par très peu de variations, ce qui signe que l'ancêtre commun à toutes ces séquences est plus proche de nous dans le temps. Des calculs sur un grand nombre de séquences d'ADN, nucléaire cette fois, ont été faits par un Japonais, Takahata. Ils montrent que le type de diversité observée au niveau de l'ADN humain ne peut s'interpréter raisonnablement que si l'effectif minimal de nos ancêtres depuis qu'il existe des humains modernes, a été de lordre de 5 000 reproducteurs. Par des méthodes de simulation extrêmement compliquées, on trouve, dans la variation moléculaire humaine, des traces d'une expansion qui aurait eu lieu entre 60 000 et 80 000 ans avant nous, juste avant la recolonisation de la planète par les humains modernes.

Les humains modernes ont migré à partir d'une population fondatrice qui avait plein de gènes différents. Ensuite, en allant au bout du monde, d'un côté ou de l'autre, telle ou telle population- fille a perdu quelques variantes de ces gènes, généralement des variantes rares. Pourquoi n'a t'on jamais, avec ce mécanisme, deux populations qui ont des gènes complètement différents pour un même système génétique ? Il y a deux explications à cela la première, c'est que les séparations longues entre populations dhumains modernes ont sans doute été peu nombreuses ; la deuxième, c'est que, sil y en a eu au paléolithique, les migrations ultérieures, au moins depuis le néolithique, ont compensé tout cela en redistribuant tous les gènes entre les nouvelles populations, beaucoup plus nombreuses, et à travers les continents.
Ensuite, la préhistoire nous a valu des variations des climats. Il y a 18 000 ans, du fait des glaciations, le niveau des mers était cent vingt mètres plus bas et on passait à pied jusqu'à Bornéo ou jusqu'à Timor ; là, il restait 90 km de mer à traverser pour passer en Nouvelle-Guinée, alors rattachée à lAustralie. Des humains lont fait il y a 50 000 ans, et puis, bien entendu, dautres ont pu le refaire très facilement il y a 18 000 ans où lon savait probablement déjà naviguer. À la même époque, le Sahara était beaucoup plus grand que maintenant. Il allait jusqu'à la côte, en Côte d'Ivoire. Il y a des gens qui ont été coincés en Afrique centrale à cette période, dans des conditions climatiques très particulières, différentes du reste du monde et sans doute très isolés. Ils sont peut-être à l'origine des particularités physiques d'une bonne partie des Africains et de quelques bizarreries de fréquences des gènes au sud du Sahara. A lépoque, on ne pouvait pas habiter en Europe du Nord ou en Amérique du Nord à cause de lextension des calottes glaciaires et des climats trop rigoureux. Les gens ont donc forcément bougé. Les chasseurs préhistoriques de cette période se sont forcément déplacés, ne serait-ce que parce que les faunes et les flores dont ils se nourrissaient se sont déplacées, parfois, de 2 000, 3 000 ou 4 000 kilomètres en latitude. Nos ancêtres chasseurs-cueilleurs qui en dépendaient nont donc pas pu évoluer en restant sur place comme le supposent les tenants des hypothèses dites "multi- régionales" sur lhistoire des peuplements et les partisans dune divergence très ancienne de races humaines que la génétique rejette aujourdhui sans le moindre doute. Des études de génétique montrent des auréoles de fréquence des gènes autour des centres de diffusion de l'agriculture, et ceci sur tous les continents, confirmant les hypothèses de repeuplement, au moins partiel, depuis linvention de lagriculture et/ou de migrations continues à travers les continents depuis.

Les grandes familles de langues africaines ont été classées par Joseph Greenberg, il y a une trentaine d'années. Il y a quatre grandes familles de langues en Afrique: la famille dite afro-asiatique, qui comprend les langues d'Afrique du Nord, d'une partie du Sahara, de l'Afrique de l'Est et aussi les langues parlées dans la péninsule arabe et au Proche-Orient. Le groupe Niger- Congo comprend les langues des Ouest- Africains et des Bantous. La famille Khoisan comprend les langues à clicks parlées en Afrique du Sud et celles de deux populations de Tanzanie. Enfin, un groupe assez particulier est celui des Nilo- Sahariens. On pense qu'il correspond aux descendants directs des anciens occupants du Sahara, pendant la période fertile, il y a une dizaine de milliers d'années. Une étude génétique de ces populations sépare, de manière spectaculaire, ces groupes linguistiques: le groupe Niger- Congo, les Khoisan, les Est- Africains et les Afro-Asiatiques divergent en parallèle par les langues quils parlent et par leurs fréquences génétiques.

La génétique et les langues donnent les mêmes classification de ces populations. Or, la langue que lon parle ne dépend évidemment pas de l'ADN, et l'ADN que l'on porte ne dépend pas de la langue qu'on parle ! Sil y a, comme on lobserve, une forte corrélation entre ces deux phénomènes qui ne sont pas la cause lun de lautre, cest quils ont un "synchroniseur" commun : lhistoire de la dernière recolonisation de l'Afrique. Ce repeuplement de l'Afrique est parti de l'Afrique de l'Est ou de l'Est du Sahara durant une période fertile ancienne, de là où lon avait toute la diversité génétique initiale. Puis, une première émigration, on ne sait pas quand, a emmené les ancêtres des Khoisan, à travers la Tanzanie vers l'Afrique du Sud. D'autres migrations, après, ont sans doute réparti le groupe Nilo-Saharien pendant la dernière phase fertile du Sahara. Enfin le groupe Niger- Congo a été issu du repli vers la forêt guinéenne ou vers le Nigeria et le Cameroun, des populations qui ont fui la zone saharienne, laquelle était en train de se désertifier à nouveau. La suite de l'histoire est très bien connue, avec les corrélations entre l'apparition de la métallurgie et les migrations des Bantous en particulier. On peut donc ainsi unir les informations de la génétique, de la linguistique et de l'archéologie pour mieux comprendre notre histoire ancienne.

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