Les liens entre l’architecture 3D du génome et la construction du cerveau décodés
 
L'équipe de Giacomo Cavalli à l'Institut de génétique humaine, a généré des cartes en trois dimensions à ultra-haute résolution des contacts au sein de la chromatine in vivo à partir de cellules de cerveau de souris. Ceci montre que l'architecture tridimensionnelle du génome subit des changements à de multiples échelles pendant le développement. De nombreux contacts dynamiques associés aux facteurs de transcription, au processus d'épissage de l’ARN et à la régulation épigénétique sont ainsi révélés. Cette étude publiée le 19 octobre 2017 dans la revue Cell, illustre comment l'organisation spatiale du génome est profondément liée à sa fonction.

La façon dont le génome est organisé en 3D est apparue récemment comme intimement liée à sa fonction biologique et constitue un nouvel aspect passionnant du domaine de l’épigénétique, cette branche de la biologie qui étudie l’information héritable au-delà de la séquence de l’ADN. Les changements dans l'architecture du noyau cellulaire peuvent modifier le devenir cellulaire et des perturbations dans cette architecture peuvent entraîner des phénomènes pathologiques. Des interactions régulatrices entre des régions spécifiques déterminent si les gènes impliqués seront activés ou réprimés et sont donc essentielles pour établir et maintenir l’identité cellulaire pendant le développement. Ces interactions sont difficiles à étudier dans l'ensemble du génome en raison de l'énorme complexité des contacts possibles à l'intérieur du noyau, où plus de 2 m d'ADN sont condensés dans l’espace minuscule du noyau cellulaire d'environ 10m de diamètre.
 
En utilisant une nouvelle approche combinant la purification des populations de types cellulaires spécifiques in vivo, suivie d’une cartographie de leur architecture nucléaire 3D avec une résolution spatiale sans précédent, les chercheurs montrent que les changements dans l’organisation du génome se produisent à des échelles spatiales multiples pendant le développement du cerveau de la souris. Ils observent que, lorsque les gènes sont activés, ils sont généralement associés à la définition de frontières capables d’isoler des domaines chromosomiques des régions génomiques adjacentes. Cependant, l’induction de la transcription par des techniques de génie génétique (CRISPR/Cas9) n’est pas suffisante pour créer de telles frontières, ce qui suggère qu’elles sont définies par des facteurs spécifiques qui demeurent inconnus. En outre, les chercheurs ont découvert que les gènes fortement épissés se contactent de manière préférentielle à l'intérieur du noyau, ce qui indique une association jusqu'alors inconnue entre le processus d’épissage de l’ARN et l'organisation 3D du génome.
 
Ces découvertes sont valables dans tous les types cellulaires étudiés, mais les chercheurs ont aussi identifié des contacts 3D spécifiques de chaque type cellulaire. Un réseau de contacts liés aux facteurs épigénétiques nommés Polycomb, est très prononcé dans les cellules souches, mais il est fortement perturbé lors de la différenciation neurale. D’autre part, des interactions chromatiniennes entre sites fixés spécifiquement par plusieurs facteurs de transcription neuronaux sont établies durant le processus de différenciation. Par ailleurs, les chercheurs montrent que les contacts 3D entre les régions régulatrices appelés « enhancers » et les régions promotrices de leurs gènes cibles sont régulés dynamiquement et sont généralement établis au moment de l’activation de ces gènes.
 
Ces résultats illustrent comment l'architecture nucléaire 3D est fortement liée à la fonction physiologique et pathologique normale du cerveau in vivo. Ils ont des implications pour la compréhension de plusieurs maladies liées au cerveau telles que le handicap intellectuel et l'autisme, qui sont fréquemment associés aux processus de remodelage de la chromatine

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Epigénétique

Dossier réalisé en collaboration avec Déborah Bourc'his, unité Inserm 934/CNRS UMR 3215/Université Pierre et Marie Curie, Institut Curie, Paris – février 2015
Chacune de nos cellules contient l’ensemble de notre patrimoine génétique : 46 chromosomes hérités de nos parents sur lesquels on compte environ 25 000 gènes. Mais si toutes nos cellules contiennent la même information, elles n’en font visiblement pas toutes le même usage : une cellule de la peau ne ressemble en rien à un neurone, une cellule du foie n’a pas les mêmes fonctions qu’une cellule du cœur. De même, deux jumeaux qui partagent le même génome ne sont jamais parfaitement identiques ! Dans ces exemples et dans bien d’autres, la clé du mystère se nomme "épigénétique".
 
Alors que la génétique correspond à l’étude des gènes, l’épigénétique s’intéresse à une "couche" d’informations complémentaires qui définit comment ces gènes vont être utilisés par une cellule… ou ne pas l’être. En d’autres termes, l’épigénétique correspond à l’étude des changements dans l’activité des gènes, n’impliquant pas de modification de la séquence d’ADN et pouvant être transmis lors des divisions cellulaires. Contrairement aux mutations qui affectent la séquence d’ADN, les modifications épigénétiques sont réversibles.

Les gènes dans tous leurs états
Actif ou inactif, allumé ou éteint, exprimé ou réprimé : différents champs sémantiques sont couramment utilisés pour définir l’état d’un gène. Ils font tous référence au même phénomène : un gène est un segment d’ADN qui contient l’information nécessaire à la synthèse d’une ou de plusieurs molécule(s) qui constitue(nt) l’organisme. Le gène est dit actif/allumé/exprimé lorsque cette synthèse a lieu. Sinon, il est inactif/éteint/réprimé. Mais évidemment, l’expression génétique n’est pas un processus fait de noir et blanc : il existe plein de niveau gris, avec par exemple des gènes très actifs, surexprimés (synthèse importante) ou encore partiellement réprimés (synthèse très faible)…
 
Des changements liés à l’environnement
Les modifications épigénétiques sont induites par l’environnement au sens large : la cellule reçoit en permanence toutes sortes de signaux l’informant sur son environnement, de manière à ce qu’elle se spécialise au cours du développement, ou ajuste son activité à la situation. Ces signaux, y compris ceux liés à nos comportements (alimentation, tabagisme, stress…), peuvent conduire à des modifications dans l’expression de nos gènes, sans affecter leur séquence. Le phénomène peut être transitoire, mais il existe des modifications épigénétiques pérennes, qui persistent lorsque le signal qui les a induites disparaît.
Concrètement, ces modifications sont matérialisées par des marques biochimiques, apposées par des enzymes spécialisées sur l’ADN ou sur des protéines qui le structurent, les histones (voir encadré ci-dessous). Les marques les mieux caractérisées sont les groupements méthyle (CH3 : un atome de carbone et trois d’hydrogène) apposés sur l’ADN, ainsi que diverses modifications chimiques des histones (méthylation, acétylation…).
Pour qu’un gène conduise à la synthèse d’une molécule, il doit être lisible, c’est-à-dire accessible à différents complexes protéiques qui interviennent dans ce processus. Les marques de méthylation localisées sur l’ADN vont le plus souvent obstruer les aires d’arrivée de ces complexes protéiques, conduisant ainsi à l’inactivation des gènes concernés. Les marques apposées sur les histones modifient quant à elles l’état de compactage de la molécule d’ADN, favorisant ou au contraire limitant l’accessibilité aux gènes.

Des gènes en bobine
Nos 46 chromosomes représentent 2 mètres d’ADN ! Comment les faire tenir dans le noyau d’une cellule qui mesure 10 à 100 µm de diamètre ? La solution est le compactage: la molécule d’ADN s’enroule d’abord régulièrement autour de complexes formés par des protéines nommées histones. Les structures ainsi constituées, les nucléosomes, s’enroulent ensuite sur elles-mêmes de manière plus ou moins "serrée", formant ainsi des fibres de chromatine plus ou moins denses.
Lorsque la chromatine est très dense (hétérochromatine, compactage élevé de l’ADN), les gènes ne sont pas accessibles et donc pas exprimés. Les zones de la chromatine peu condensée (euchromatine) sont en revanche accessibles aux complexes enzymatiques qui permettent l’expression des gènes. Des modifications épigénétiques qui affectent les histones permettent à la chromatine de passer de l’un à l’autre de ces états.
 
D’autres systèmes de régulation épigénétique existent, en particulier des systèmes mettant en jeu  des petites molécules d’ARN. Sans parler de tous les mécanismes que l’on ne connait pas encore !
En résumé, si le chromosome est la bande magnétique d’une cassette et que chaque gène correspond à une piste enregistrée sur la bande, les modifications épigénétiques sont des morceaux de ruban adhésif repositionnables qui vont masquer ou démasquer  certaines pistes, les rendant illisibles ou lisibles.

Des marques transmissibles
Les marques épigénétiques, bien que réversibles, sont transmissibles au cours des divisions cellulaires. Ce phénomène est particulièrement important au cours dudéveloppement embryonnaire. Au sein de l’embryon, les cellules sont au départ toutes identiques. Elles vont rapidement recevoir des signaux très orchestrés les conduisant à activer ou inactiver certains de leurs gènes pour se différencier en telle ou telle lignée cellulaire et construire l’organisme. Les marques épigénétiques alors mises en place doivent se transmettre au cours des divisions cellulaires, pour qu’une cellule de foie reste une cellule de foie et une cellule osseuse une cellule osseuse.

Certaines marques épigénétiques pourraient même passer à la descendance. La transmission intergénérationnelle de marques matérialisées par la méthylation de l’ADN est très documentée chez les plantes. Chez les mammifères, l’étude du phénomène est beaucoup plus complexe et fait encore l’objet de controverses. La formation des gamètes (ovules et spermatozoïdes) puis celle de l’embryon impliquent en effet chacune un effacement des marques épigénétiques : cette "remise à zéro" est nécessaire à la spécialisation des gamètes puis à la pluripotence (capacité à se différencier en n’importe quel type cellulaire) des toutes premières cellules de l’embryon. Toutefois, des gènes semblent y échapper.
Un exemple est celui du gène agouti, impliqué dans la détermination de la couleur du pelage chez la souris : dans un groupe d’animaux portant tous la même version de ce gène, certains ont un pelage brun chiné et d’autre un pelage jaune. Ces derniers ont en outre une susceptibilité accrue à l’obésité, au diabète et à certains cancers. Qu’est-ce qui les différencie ? Il ne s’agit pas d’une mutation affectant la séquence de leur ADN, mais bien d’une marque épigénétique portée par les souris brunes, qui éteint le gène agouti. Or on observe que la proportion de souriceaux bruns est plus importante dans la descendance des mères brunes que dans celle des mères au pelage jaune : ceci suggère que les mères brunes peuvent transmettre à leur  descendance la marque épigénétique qui  éteint le gène agouti.
Autre exemple, celui des gènes soumis à  "l’empreinte parentale". Nous possédons chacun de nos gènes en deux copies, l’une transmise par notre mère, l’autre par notre père. Mais pour une poignée d’entre eux, une seule des copies est utilisée : la méthylation de l’ADN a éteint l’autre copie de manière indélébile, soit dans le spermatozoïde du père, soit dans l’ovule de la mère. Cette mémoire parentale épigénétique est transmise à la descendance au moment de la fécondation et elle est maintenue tout au long de la vie. Toutefois, elle s’efface dans les gamètes de l’individu, de manière à des marques de méthylation soit ré-établies en fonction de son sexe, dans ses spermatozoïdes ou ses ovules.

De la nécessité de faire taire un X
Un autre phénomène épigénétique bien décrit concerne l’inactivation du chromosome X chez les mammifères femelles. Alors que les cellules des mâles compte un seul chromosome X (accompagné d’un chromosome Y), les cellules des femelles en portent deux. Si les gènes des deux exemplaires du chromosome X s’expriment au cours du développement, l’embryon meurt très vite, "intoxiqué" par une double dose des protéines. C’est pourquoi un mécanisme épigénétique conduit à la mise sous silence d’un des deux chromosomes X dans les cellules femelles.
Ce mécanisme intervient tôt dans le développement embryonnaire et reste stable tout au long des divisions cellulaires. Toutefois, ce n’est pas toujours le même chromosome X qui sera éteint dans les cellules de l’embryon précoce. Ainsi, dans l’organisme femelle, une partie des cellules expriment les gènes du chromosome X d’origine maternelle, l’autre ceux du chromosome X d’origine paternelle.
 
Epigénétique et maladies
Il est désormais largement admis que des anomalies épigénétiques contribuent au développement et à la progression de maladies humaines, en particulier de cancers.  Les processus épigénétiques interviennent en effet dans la régulation de nombreux évènements tels que la division cellulaire, la différenciation (spécialisation des cellules dans un rôle particulier), la survie, la mobilité… L’altération de ces mécanismes favorisant la transformation des cellules saines en cellules cancéreuses, toute aberration épigénétique peut être impliquée dans la cancérogenèse.
Des anomalies épigénétiques activant des oncogènes (gènes dont la surexpression favorise la cancérogenèse) ou inhibant des gènes suppresseurs de tumeurs ont pu être mises en évidence. De même, des mutations affectant des gènes codant pour les enzymes responsables des marquages épigénétiques ont été identifiées dans des cellules tumorales. Reste à savoir si ces phénomènes sont la cause ou la conséquence du développement de cancer. Il semble néanmoins qu’ils participent à la progression tumorale (évolution du cancer).

Certains syndromes héréditaires résulteraient eux-aussi de mutations dans les gènes codant pour la machinerie épigénétique. C’est le cas du syndrome ICF (pour Immuno-déficience combinée, instabilité de l'hétérochromatine paraCentromérique et dysmorphie Faciale), qui est lié à des mutations dans une enzyme de méthylation de l’ADN (l’ADN méthyltransférase).
Par ailleurs, le rôle de l’épigénétique est soupçonné et très étudié dans le développement et la progression de maladies complexes et multifactorielles, comme les maladies neurodégénératives (Alzheimer, Parkinson, sclérose latérale amyotrophique, Huntington…) ou métaboliques (obésité, diabète de type 2…). De nombreuses études épidémiologiques suggèrent en outre l’existence de liens entre diverses expositions au cours de la vie intra-utérine (voire dès la fécondation) et la survenue de maladies chroniques à l’âge adulte. L’épigénétique pourrait expliquer ces liens : des erreurs épigénétiques intervenant au cours du développement embryonnaire peuvent par exemple conduire à la formation d’un nombre insuffisant de néphrons (unité tissulaire du rein) ou de cellules bêta du pancréas, conférant un risque accru d’hypertension ou de diabète à l’âge adulte. Une hypothèse qu’il reste à confirmer en mettant en évidence les changements épigénétiques associés.
De la même manière que l’on sait aujourd’hui obtenir la séquence d’un génome complet, il est aussi possible de connaître l’ensemble des modifications épigénétiques qui le caractérise : on parle d’épigénome. C’est ce type d’approche globale et non biaisée qui permettra de mieux appréhender l’implication de l’épigénétique dans les maladies humaines.
Epigénétique et thérapie : l’arrivée des "épimédicaments"

Si les marques épigénétiques sont réversibles, il doit être possible de corriger celles qui posent problème, en particulier celles associées à des maladies. Cette idée a conduit au développement de médicaments qui agissent sur les mécanismes épigénétiques pour éliminer les marquages anormaux. On parle d’"épidrogues" ou d’"épimédicaments". Deux principales familles de molécules ont été développées jusqu’ici :
*         celle des agents qui inhibent la méthylation de l’ADN  (inhibiteurs des ADN méthyltransférases ou DNMTi),
*         celle des agents qui ciblent la modification des histones (inhibiteurs des déacétylases d’histone ou HDACi).
Les molécules qui existent aujourd’hui manquent encore de spécificité d’action, ce qui les rend rapidement toxiques pour l’organisme des patients. Mais de nombreux autres épimédicaments  sont en cours de développement. De plus, en associant un épimédicament  à d’autres approches thérapeutiques, il sera peut-être possible d’en retirer un bénéfice clinique tout en limitant les doses administrées, et donc les effets secondaires.

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Human Brain Project : la course au cerveau virtuel est lancée

Par Elena Sender le 07.10.2013 à 17h12, mis à jour le 07.10.2013 à 17h15
Top départ pour le Human Brain Project demain à Lausanne. Retrouvez le reportage de Sciences et Avenir à Neuropolis où les chercheurs veulent créer une version numérique du cerveau humain.

Sciences et Avenir vous propose de retrouver le reportage d'Elena Sender, envoyée spéciale à Lausanne, qui était paru dans le numéro 790 de décembre 2012.
FUTURISTE. Pour l'instant, ce n'est qu'un pré sur le campus de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), face au lac Léman, avec vue imprenable sur les Alpes suisses. Dans quatre ans, s'élèvera un bâtiment futuriste de 30.000 m2 d'une valeur de 100 millions de francs suisses (83 millions d'euros) qui abritera un projet exceptionnel baptisé Neuropolis, voulu conjointement par l'EPFL, les universités de Lausanne et de Genève ainsi que les autorités politiques suisses : le futur " Cern " du cerveau, à l'image du grand centre de recherche consacré à la physique des particules, à la frontière franco-suisse.

Il faut en effet imaginer un complexe de simulation faisant " mouliner " jour et nuit un supercalculateur effectuant 1018 opérations à la seconde, avec l'ambition de faire " vivre " un cerveau virtuel ! Nourri par toutes les données disponibles de la neurophysiologie, mais aussi de l'imagerie médicale de pointe, cet encéphale – lorsqu'il sera achevé – réagira (presque) comme un vrai.

JOYSTICK. Imaginons le chercheur dans la salle des commandes telle qu'elle se présentera en 2016 lorsque Neuropolis sera opérationnel : il siégera face à des écrans géants projetant des images cérébrales exceptionnelles. D'un mouvement de joystick, il naviguera dans le tissu virtuel, se promènera entre les neurones, zoomera sur une connexion, pointera un canal ioniqueou une synpase pour y observer les échanges de neuromédiateurs. Selon les besoins de son étude, il enverra un influx électrique ici ou là et regardera le système nerveux réagir en temps réel. Dans un bureau attenant, une équipe de recherche s'apprêtera, quant à elle, à tester un " candidat médicament " modélisé en 3D sur un modèle de cerveau malade d'Alzheimer tandis qu'une autre équipe étudiera, par exemple, le câblage neuronal dans la schizophrénie. Venus du monde entier, des chercheurs disposeront de la plateforme de simulation pour éprouver leurs hypothèses, leurs molécules, leurs traceurs… Le rêve d'un cerveau in silico (voir l'encadré "Repères"), ouvert à tous, est en passe de devenir réalité.

"Être un petit poisson dans une grande piscine ou un gros poisson dans une petite piscine ?"
L'idée de ce projet hors normes a germé sur le campus, à une centaine de mètres de là, au
deuxième étage d'un bâtiment métallique aux modules rouge, orange et gris, dans le bureau de Patrick Aebischer, président de l'EPFL depuis 2000. Avant son arrivée, l'École polytechnique n'avait jamais vu le museau d'une souris dans ses laboratoires. C'est ce neurobiologiste qui y a imposé la recherche et l'enseignement en sciences de la vie.
" En dix ans, nous avons embauché 55 professeurs de biologie parmi les meilleurs ", raconte fièrement l'homme fort de l'école. Ce qui, il ne s'en cache pas, " a suscité énormément de débats ". Cet entrepreneur, manager " à l'américaine " – il a travaillé pendant huit ans à l'université Brown aux États-Unis – voit grand. Bras croisés, ponctuant ses phrases d'expressions anglaises, il souhaite créer " a big science " pour la biologie.

« Comme les astronomes ont leur grand télescope, les physiciens leur accélérateur de particules, les biologistes doivent avoir leur plateforme de simulation du vivant » - Patrick Aebischer.
Le patron de l'EPFL se penche sur une table basse dont le plateau n'est autre qu'une photo aérienne du campus, et pointe du doigt un carré inoccupé : " Ce sera ici, à
Neuropolis. "
"PATCH-CLAMP". Tout a commencé en 2001, lorsque Patrick Aebischer a rencontré Henry Markram, neurophysiologiste sud-africain, passé maître dans l'art du patch-clamp (la mesure des paramètres électrophysiologiques) des neurones. " Henry a deux cerveaux, rapporte Patrick Aebischer. Celui de l'expérimentateur et celui de l'informaticien, persuadé que le futur des neurosciences passe par la simulation. " Après avoir travaillé à l'Institut Weizmann, à Rehovot (Israël), et aux National Institutes of Health, à Bethesda (États-Unis), puis à l'Institut Max-Planck pour la recherche médicale à Heidelberg (Allemagne), Henry Markram est alors sur le point de signer un contrat en or au Massachusetts Institute of Technology (États-Unis). " Je lui ai posé la question de savoir s'il préférait être un petit poisson dans une grande piscine ou un gros poisson dans une petite piscine ", se souvient Patrick Aebischer, l'œil malin. Et le tout nouveau patron de l'EPFL a attrapé Markram dans ses filets, lui donnant carte blanche et un gros budget. Celui-ci lance alors son projet Blue Brain, la simulation numérique du fonctionnement cérébral, l'EPFL lui apportant la pièce maîtresse sur un plateau : " Nous avons acheté Blue Gene, puissant supercalculateur ", raconte Patrick Aebischer.

Pour se faire une idée des capacités de Blue Gene. Damien Hypolite pour Sciences et Avenir.
Installé en 2005, l'ordinateur fait depuis tourner l'ensemble du programme. En 2011, nouveau bond en avant. L'équipe s'associe à 120 autres laboratoires de 22 pays et devient le consortium Human Brain Project (HBP). Le HBP décide alors de concourir dans un appel à projets du programme Future and Emerging Technologies Flagship Initiatives, lancé par l'Union européenne pour aider le projet scientifique le plus prometteur pour les dix ans à venir. Avec, à la clé, une subvention colossale d'un milliard d'euros ! Fin 2012, HBP figure parmi les six derniers projets en lice, le gagnant devant être désigné au cours de 2013 (le HBP a effectivement été désigné en janvier de cette année co-lauréat de la bourse de l'Union Européenne).

Le calculateur Blue Gene a simulé la première colonne corticale de souris dès 2008
Pour rencontrer le créateur de Blue Brain, il faut marcher dix minutes, sous la pluie, à
travers le campus en chantier. On croise sur le chemin deux énormes grues qui réduisent à néant un building, celui-ci devant être remplacé d'ici à deux ans par le nouveau Centre de neuroprothèses. Viendront s'y installer le laboratoire du Français Grégoire Courtine, dont les équipes ont fait remarcher des souris paraplégiques ; celui de l'Espagnol José Milan, spécialiste des interfaces homme-machine ; ou encore celui de l'Allemand Olaf Blanke, qui travaille sur les illusions produites par le cerveau.

PUIT DE LUMIÈRE. Le QG de Henry Markram apparaît enfin. Un cube blanc, percé d'un puits de lumière. Chemise claire à petits motifs, yeux bleus perçants, le chercheur est habité par son sujet. De sa voix monocorde, il raconte comment la compréhension du cerveau l'a toujours obsédé : " Mon désir est de partir du cerveau entier puis de descendre jusqu'au niveau des neurones, à celui des cellules uniques, puis des canaux ioniques, des protéines et des gènes. " Pour cela, une seule méthode : l'agrégation de toutes les connaissances disponibles dans un seul et même modèle. " 60.000 articles de neurosciences sont publiés chaque année, note-t-il. Il y a trop d'informations pour qu'elles puissent être digérées. La seule façon de progresser est d'intégrer systématiquement toutes ces données sous forme numérique pour créer un modèle le plus complet possible. Cela aidera aussi les chercheurs à repérer les manques et les contradictions dans leurs connaissances et identifier les expérimentations nécessaires pour les combler. " Intégrer la complexité, telle est l'idée maîtresse du projet.
Ci-dessous, une interview d'Henry Markram, de juin 2012.

Vers un cerveau artificiel à Neuropolis... par sciencesetavenir
En 2008, le calculateur Blue Gene a fait ainsi " tourner " la première colonne corticale (voir Repères) de souris, un réseau vertical de 10.000 neurones. Cette année, 60 colonnes corticales interconnectées ont été modélisées grâce à la version la plus avancée du supercalculateur, d'une puissance de 54 téraflops (54 x 1012 opérations/s). Il s'agit maintenant de construire 10 000 autres colonnes jusqu'à simuler un cerveau de souris entier, et ses 100 millions de neurones. Ce qui demandera une puissance de calcul de un pétaflop (1015), à l'horizon 2014. Puis, l'équipe s'attellera à l'ultime tâche. Faire de même avec le cerveau humain, vers 2023, ce qui exigera un exaflop (1018).

"SALLES DES MACHINES". Pour comprendre concrètement comment ça marche, il faut pousser la porte de la " salle des machines ", le laboratoire. Ici, une quinzaine de jeunes chercheurs de 12 pays sont à l'œuvre. Le Danois Jesper Ryge place un échantillon de cerveau de souris sous un étrange microscope, encerclé par une couronne de seringues, le fameux patch-clamp, cher à Henry Markram.
" On stimule l'échantillon avec une électrode, explique-t-il, puis on enregistre les réponses électriques de chaque neurone. " À côté, sur un écran, on peut voir les neurones " répondre " à la stimulation électrique par des tracés rouges réguliers qui s'affichent en temps réel. Une fois des milliers d'enregistrement réalisés, les chercheurs sont en mesure de passer à la modélisation. Là, les biologistes cèdent la place aux physiciens et aux mathématiciens.
" Nous simulons la biophysique des cellules nerveuses, expose l'Allemand Felix Schürmann, physicien, auparavant à l'université de Heidelberg, et désormais bras droit de Henry Markram. Cela signifie que nous décrivons la physique des propriétés électriques des neurones, comme la propagation des courants et du voltage à travers l'arbre dendritique (voir Repères) des neurones, avec différentes équations. Les paramètres de ces équations ayant été extraits de données expérimentales décrites dans de multiples publications. "
CORTEX. Tandis que l'activité intime du neurone est simulée artificiellement, d'autres chercheurs reproduisent sa morphologie. Il existe, en effet, quelque 200 types différents de neurones dans le cortex. C'est ainsi, en agrégeant les données issues de près de 20.000 expérimentations sur vingt ans, que l'équipe a réussi à reconstituer en 3D la cartographie précise d'une petite portion de cortex de souris avec ses caractéristiques physiologiques, géométriques et ses connexions.

" Il faudrait des décennies, voire un siècle, pour cartographier un cerveau entier avec les connexions précises. Il y a en effet 3000 routes différentes possibles pour chaque neurone. On ne peut les explorer toutes ! " reconnaît Henry Markram qui, heureusement, a trouvé le moyen d'accélérer son travail de bénédictin grâce à une découverte publiée dans les Pnas en août 2012. L'équipe a tenté une expérience en positionnant 298 neurones virtuels de différents types selon la disposition et la répartition observées dans un échantillon de cortex vivant. Puis elle a " lancé la machine " et laissé les neurones se connecter comme bon leur semblait ! Résultat ? En comparant l'organisation virtuelle obtenue et le circuit cortical réel de la souris, les chercheurs ont observé une chose extraordinaire : de 75 % à 95 % des points de connexions étaient similaires. " Ça a été un choc, assure Henry Markram. Cela signifie que l'on peut prédire les schémas de connexions synaptiques [le connectome, voir Repères] à partir du moment où la composition et la répartition des neurones du cortex sont connues. "

"BAT LAB". Mais pour construire le futur modèle de cerveau, il n'y a pas que les observations tirées du patch-clamp qui comptent. En cela, une autre branche de Neuropolis va être d'une grande aide. Pour la découvrir, il faut se rendre cette fois aux hôpitaux universitaires de Genève, à trois quarts d'heure de train du campus. Là aussi les grues s'activent. Un nouveau bâtiment, le Bat Lab, va bientôt sortir de terre, au sixième étage duquel s'installera le nouvel Institut d'imagerie moléculaire translationnelle.
Cette unité, placée sous l'égide du professeur Osman Ratib, spécialiste d'imagerie moléculaire, sera un satellite de Neuropolis. Objectif ? " Nous développons des nouveaux outils diagnostiques mais aussi thérapeutiques pour voir les molécules agir dans le cerveau animal, explique Osman Ratib. Nous cherchons par exemple des biomarqueurs spécifiques à certaines sous-catégories de tumeurs cérébrales pour mettre au point des thérapies personnalisées et prédire la réponse au traitement. " Tous ces résultats sont déjà – et seront encore davantage – injectés dans le cerveau virtuel du campus de Lausanne. Dans le cadre de Neuropolis, l'équipe d'Osman Ratib va d'ailleurs se focaliser sur la modélisation d'un cerveau vieillissant et sur les effets des maladies neurodégénératives. Ici aussi, on mise sur la bourse européenne du HBP.

Trop complexe pour certains, le HBP a suscité la polémique
Un autre médecin-chercheur britannique attend beaucoup de Neuropolis. C'est le professeur Richard Frackowiak, spécialiste de l'imagerie clinique au Centre hospitalier universitaire vaudois de Lausanne, autre satellite du projet. Lui, travaille sur le cerveau humain malade. Il est sûr que la méthode de neuro-sciences intégrée " à la Markram " est la solution pour avancer dans la compréhension de maladies comme Alzheimer. " Pour l'instant, on est dans l'impasse car on se focalise sur des petites parties du problème comme les plaques amyloïdes. Grâce au modèle global, nous allons prendre la maladie dans son ensemble. Il en émergera une véritable théorie du cerveau sain mais aussi du cerveau malade. "

"TROP COMPLEXE". Même si cette approche n'est pas partagée par toute la communauté scientifique, des voix s'élevant en Suisse comme ailleurs contre cette démarche jugée " trop complexe ". De fait, dans un article paru dans Nature en février 2012, le HBP a suscité la polémique. Rodney Douglas codirecteur de l'Institut de neuro-informatique de Zurich (Suisse), y exprime son inquiétude : " Nous avons besoin de variance en neurosciences, nous avons besoin de personnes qui expriment des idées différentes, une diversité qui peut être menacée si autant d'argent est consacré à un seul projet. "
Sollicité par courriel, Rodney Douglas n'a cependant pas souhaité répondre à nos questions, préférant jouer l'apaisement. " Clairement, je ne suis pas d'accord avec Henry sur certains problèmes. Néanmoins, il demeure mon collègue et il est regrettable que nos désaccords scientifiques soient polarisés dans la presse. " Il n'empêche : certains scientifiques pensent effectivement que le modèle Blue Brain, trop fourni et détaillé, ne sera pas forcément plus facile à comprendre qu'un cerveau réel. La question qui se pose : que va nous montrer un modèle complexe ? Ou encore, la modélisation du vivant est-elle là pour prédire – comme Blue Brain – ou pour faire comprendre des phénomènes ? Car, s'il s'agit de comprendre, ne vaut-il pas mieux avoir un système simplifié avec un minimum de données à faire varier ?
" Aujourd'hui, nous possédons les mathématiques qui correspondent à cette complexité, il faut cesser d'en avoir peur ", rétorque Richard Frackowiak. Patrick Aebischer, lui, estime que les débats sont sains. " La “grande science” a toujours évolué à travers de grands débats, comme pour le séquençage du génome qu'on estimait impensable. " Quant à Henry Markram, il joue la conciliation, affirmant que " notre plateforme sera ouverte à toutes les propositions ".
REPÈRES. Canal ionique : protéine transmembranaire qui permet le mouvement des ions, créant des courants électriques. Neuromédiateur : molécules chimiques libérées par les neurones et agissant au niveau des synapses. In silico : effectué avec l'outil informatique. La bio-informatique correspond à l'approche in silico de la biologie traditionnelle. Colonne corticale : groupe de 10 000 neurones environ situés dans le cortex cérébral qui forme une unité fonctionnelle. Il en existe environ 100.000 dans le cerveau humain. Arbre dendritique : les dendrites (fibres réceptrices des neurones) peuvent former une arborescence très dense. Connectome : carte complète des connexions dans le cerveau.

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Les tests génétiques

Dossier réalisé en collaboration avec le Pr François Eisinger, onco-généticien et membre du comité d'éthique Inserm – Mai 2015
De nombreux tests génétiques apportent des informations relatives à la santé des individus ou à celle de leur famille. Ces tests consistent à rechercher des anomalies sur la molécule d’ADN elle-même, ou à dépister des anomalies concernant le nombre ou la forme des chromosomes. Il faut distinguer les tests qui apportent des informations sur le patrimoine génétique transmissible, présent dans toutes les cellules de l’organisme (génétique constitutionnelle), et les tests qui informent sur l’état du génome de cellules tumorales (génétique somatique). En outre, d’autres tests permettent d’obtenir des informations sur la réponse à un traitement ou sur les risques d’effets secondaires (pharmacogénomique).
Les tests de génétique constitutionnelle

Les tests de génétique constitutionnelle (ou héréditaire) reposent sur l’étude du patrimoine génétique d’une personne, le plus souvent à partir d’une prise de sang. Ils peuvent être réalisés avant la naissance (test prénatal) ou après, à n’importe quel âge (test postnatal).
En 2013, des tests concernant plus de 1 500 maladies génétiques étaient disponibles et plus de 500 000 tests postnataux de génétique constitutionnelle ont été réalisés (incluant les tests de pharmacogénomique). Toutefois, une part importante des analyses étaient consacrées à deux maladies : l’hémochromatose et la thrombophilie non rare.
 
Une pratique encadrée par la loi de bioéthique
 
Des règles de bonne pratique concernant l’utilisation de ces tests et l’information à délivrer aux patients et à leur famille sont prévues par la loi de bioéthique et recommandées par l’Agence de biomédecine et la Haute autorité de santé.
 
En France, ces tests sont toujours effectués dans un cadre médical, avec une consultation en génétique permettant d’éclairer le patient et sa famille sur l’intérêt du test et sur les conséquences éventuelles de son résultat (risque pour la descendance, pronostic vital menacé, suivi thérapeutique à mettre en place, interruption médicale de grossesse...).
Ces tests sont envisagés dans trois situations :
Le diagnostic de maladies génétiques
Un test génétique diagnostic est effectué en cas de symptôme pouvant évoquer une maladie génétique. Le test est alors associé à des examens complémentaires et permet souvent de mettre fin à l’errance diagnostique. La rapidité et les chances de succès du test varient en fonction du nombre de modifications génétiques, et surtout de gènes associés à la maladie : ces tests sont utilisés pour le diagnostic de maladies monogéniques (liées à des anomalies affectant un seul gène), dont le gène causal est identifié (mucoviscidose, hémochromatose héréditaire ou encore polypose colique familiale).
Les tests génétiques diagnostics peuvent être pratiqués chez des enfants et des adultes, mais également chez des fœtus si l’anomalie recherchée a déjà été identifiée chez un parent ou si une symptomatologie évoquant un trouble génétique a été dépistée au cours du développement fœtal, comme en cas de trisomie 21. En 2012, des tests génétiques prénataux ont été réalisés chez plus de 41 000 fœtus.
Génétique prénatal : l’analyse de l’ADN fœtal circulant dans le sang maternel change la donne
 
Il est désormais possible d’analyser des fragments d’ADN fœtal présents dans le sang de la mère et récoltés à partir d’une simple prise de sang chez cette dernière. Cette pratique constitue un progrès important car elle évite des prélèvements invasifs et leurs risques.
 
Deux tests sont déjà proposés en routine avec cette méthode : la détermination du sexe de l’enfant dans le cadre d’un diagnostic prénatal de maladies associées au chromosome X et la détermination du rhésus fœtal lorsque la mère est rhésus négatif. Le dépistage de la trisomie 21 par cette technique commence également à être proposé à certaines femmes et le nombre d’indications devrait rapidement progresser. Toutefois, l’Agence de biomédecine se dit vigilante sur le plan éthique, compte tenu des dérives possibles à venir, liées à la facilité d’analyse de l’ADN fœtal par cette méthode.
Des tests génétiques peuvent également être effectués chez des personnes ne présentant aucun symptôme, mais ayant un risque d’être porteurs d’une mutation associée à une maladie grave et désirant concevoir un enfant. Le résultat du test permet alors d’évaluer le risque de transmettre la maladie à sa descendance.
Le diagnostic préimplantatoire
 
Un couple susceptible de transmettre une maladie génétique grave à sa descendance peut demander un test génétique préimplantatoire. Ce test consiste à rechercher l’anomalie génétique dans le génome d’embryons conçus par fécondation in vitro, avant implantation dans l’utérus de la mère.
 
La maladie recherchée doit présenter un risque élevé de transmission (25 à 50% de risque), être grave et incurable. Des dizaines de maladies répondent à ces critères.
 
L’Agence de biomédecine suit l’activité des laboratoires effectuant des diagnostics préimplantatoires en France, à Paris, Montpellier, Strasbourg ou encore Nantes. En 2012, 464 couples ont été éligibles à un diagnostic préimplantatoire et 91 enfants sont nés après sélection d’embryons sains.
Le diagnostic de maladies pré-symptomatique (tests prédictifs)
Pour les maladies monogéniques :
Les tests génétiques prédictifs sont effectués chez des personnes qui ne présentent aucun symptôme, afin de prédire le risque de développer ultérieurement une maladie. Ces tests peuvent être hautement prédictifs : dans le cas de la maladie de Huntington, par exemple, la mutation cherchée est une condition nécessaire et suffisante pour développer la maladie.
Pour les maladies multifactorielles :

Il existe des tests prédictifs en cancérologie, notamment proposés lorsqu’une mutation a déjà été identifiée dans la famille. Ces tests apportent une indication concernant le risque de développer la maladie, mais en aucun cas une certitude : les facteurs environnementaux et personnels contribuent largement à la survenue d’un cancer, et les mutations génétiques recherchées lors de ces tests ne sont ni nécessaires, ni suffisantes à l’apparition d’un cancer.
Ainsi, lorsqu’une personne est porteuse d’une mutation sur le gène BRCA1 ou le gène BRCA2, son risque de développer un cancer du sein avant 70 ans est de 40 à 85%, alors qu’il est de 10% dans la population générale. Concernant le cancer de l’ovaire, le risque est de 10 à 60%, contre 1% dans le reste de la population. L’identification de cette susceptibilité permet une surveillance plus précoce et plus rigoureuse des sujets à risque (l’ablation des seins est parfois choisie par les patientes et l’ablation des ovaires recommandée en fonction de l’âge et du projet parental). De même, un test de susceptibilité aux cancers colorectaux héréditaires sans polypose(HNPCC ou syndrome de Lynch) est également disponible. Les personnes présentant une mutation de l’un des gènes de la famille MMR ont 40 à 70% de risque de développer un cancer colorectal avant l’âge de 70 ans.
D’autres tests sont disponibles pour des cancers du rein, des cancers plus rares comme le rétinoblastome, ou encore des néoplasies endocriniennes… Le nombre de tests prédictifs en cancérologie devrait progresser dans les années à venir, en raison de la découverte permanente de nouveaux gènes de susceptibilité associés aux différents cancers. A terme, la possibilité d’effectuer ces tests devrait s’ouvrir au plus grand nombre compte tenu des progrès techniques et de la baisse des coûts. Mais ils devront toujours être réalisés dans le cadre d’un conseil médical et d’une information préalable sur les conséquences possibles en fonction des résultats.
Pour d’autres maladies multifactorielles ayant une composante génétique, comme l’asthme, le diabète ou bien d’autres, aucun test génétique prédictif n’est disponible à ce jour. Plusieurs gènes de susceptibilité à ces maladies ont pourtant été découverts au cours des dernières années. Mais la valeur prédictive des variants identifiés est beaucoup trop faible pour avoir une signification clinique sur le risque de développer la maladie. Cette situation pourrait néanmoins évoluer dans le futur, par exemple en associant plusieurs variants génétiques et en intégrant des données biologiques pour augmenter la valeur prédictive du test.
Quand un test prédictif peut-il être considéré pertinent ?
 
Le centre de contrôle et de prévention des maladies américain (CDC) a proposé des règles, réunies au sein d’un modèle ACCE (validité Analytique, validité Clinique, utilité Clinique et respect de l’Ethique), qui permettent d’évaluer la pertinence de développer un nouveau test génétique.
 
Les critères fixés assurent que le test est réellement prédictif d’une maladie et que la valeur prédictive est satisfaisante. Le doublement du risque d’apparition de la maladie dans les années qui suivent est souvent considéré comme une valeur acceptable, mais ce seuil peut varier selon la gravité de la maladie et les conséquences pour le patient. En outre, le test doit être utile : un diagnostic positif doit pouvoir déclencher une prise en charge adaptée. En cancérologie, les tests permettent par exemple de renforcer la prévention ou le dépistage. Il existe toutefois des exceptions à cette règle : dans le cas de la maladie de Huntington un test génétique prédictif est disponible alors qu’il n’existe actuellement aucun moyen de prévenir le développement de la maladie ou de la traiter. Mais dans ce cas particulier et quelques autres, les patients évoquent le droit de savoir.
 
La pertinence d’un test génétique prend également en compte le respect de la dimension éthique, avec par exemple la nécessité d’une fin médicale (et non eugénique).
Les tests de pharmacogénétique
La pharmacogénomique consiste à étudier les caractéristiques génétiques d’un individu pour prédire la réponse de son organisme à un médicament : effets secondaires, risques de surdosages, ou encore inefficacité.
Ces tests permettent de détecter des variants génétiques associés à l’assimilation ou au contraire à la transformation/dégradation du médicament. En 2013, une trentaine de tests étaient disponibles. L’un d’eux permet par exemple de prédire la toxicité au traitement par 5-FU (chimiothérapie) en cas de cancers colorectaux ou du sein. Plus de 3 500 personnes en ont bénéficié en 2013. Autre exemple, un polymorphisme du gène HLA est associé à une hypersensibilité à l’abacavir, un antirétroviral utilisé contre le VIH.
La pharmacogénétique n’en est qu’à ses débuts : grâce à l’analyse des données génétiques des patients inclus dans les essais cliniques, les laboratoires pharmaceutiques développent de plus en plus souvent des tests génétiques associés à la réponse ou à la toxicité d’un traitement.
Comment sont effectuées les analyses génétiques ?
Deux principales approches d’analyses du génome sont utilisées dans le cadre des tests génétiques :
*         La génétique moléculaire, qui consiste à analyser la molécule d’ADN pour détecter des mutations ou autres anomalies de façon ciblée sur le génome. Elle fait appel à des techniques de biologie moléculaire.
*         La cytogénétique, qui consiste à étudier le nombre et la forme des chromosomes pour détecter des remaniements affectant des fragments chromosomiques ou des chromosomes entiers. Le plus souvent, cette étude s’appuie sur l’observation du caryotype du patient, correspondant à la photographie de l’ensemble de ses chromosomes. C’est l’analyse la plus répandue chez les fœtus, avec près de 41 000 caryotypes réalisés en 2012.

Institut de génétique et de biologie moléculaire et cellulaire, Illkirch
Ces deux approches sont de plus en plus perméables, notamment de part l’utilisation croissante d’outils communs tels que les puces à ADN. Environ 14 000 tests ont été effectués avec puces à ADN en 2013 en France, et l’utilisation de cet outil devrait croître dans les années à venir. Cette technique associe l’aspect global du caryotype et la haute résolution de l’hybridation ciblée de la génétique moléculaire. Les puces à ADN permettent de détecter des remaniements chromosomiques cent fois plus petits que ne le permettait jusque-là le caryotype. Dès lors, le risque devient celui de découvrir une autre maladie que celle recherchée… Le comité d’éthique de l’Inserm se penche actuellement sur cette question : que faire d’une information importante pour la santé découverte de façon fortuite, que l’individu n’a pas demandé à savoir et n’est pas forcément désireux d’entendre ?
 
Les tests en vente sur internet et leurs dangers
 
Des tests génétiques sont vendus directement par internet par des sociétés extérieures au système de santé. Les tests proposés ne sont pas forcément validés et ces services sont souvent proposés sans aucune intervention de professionnels de santé. Ce manque constitue un risque de désinformation majeure sur les conséquences possibles des résultats, dans un sens ou dans l’autre. Un conseil en génétique est absolument fondamental pour encadrer toute réalisation de test génétique.
Il existe 229 laboratoires de génétique constitutionnelle postnatale en France. Leur activité est suivie par l’Agence de biomédecine, en collaboration avec Orphanet (portail de référence sur les maladies rares et les médicaments orphelins, coordonné par l’Inserm). Parmi eux, 200 pratiquent des tests de génétique moléculaire et 111 des tests de cytogénétique. Pour 60% des maladies qui bénéficient d’un test génétique (environ 880 sur 1 500), le diagnostic génétique est complexe et nécessite l’expertise d’un laboratoire particulier en France.
Les tests de génétique somatique
Les tests de génétique somatique (non héréditaire) consistent à analyser le génome des cellules cancéreuses pour détecter des mutations survenues spécifiquement dans la tumeur et prédire la réponse à un traitement ciblé. On parle de « test compagnon ». Ils sont réalisés à partir d’une biopsie (ou d’une prise de sang pour les cancers hématopoïétiques), dans l’une des 28 plateformes de génétique moléculaire réparties sur tout le territoire français et rattachées à des établissements hospitaliers.
En 2011, 55 000 patients atteints de cancer ont bénéficié d’un de ces tests en vue d’utiliser l’un des 14 traitements spécifiques d’une anomalie génétique disponibles. Parmi ces patients, 20 000 étaient atteints d’un cancer du poumon et ont bénéficié de la recherche des mutations du gène EGFR, biomarqueurs de la sensibilité au gefitinib.

Détection d'anomalies chromosomiques tumorale
Compte tenu de l’arrivée massive de traitements ciblés en cancérologie, ces tests sont amenés à largement se développer. Plusieurs programmes de recherche clinique sont en cours en France, comme SHIVA à l’Institut Curie, MOSCATO à l’Institut Gustave Roussy, ou encore le programme AcSé coordonné par l’Institut national du cancer pour tester la faisabilité d’un séquençage du génome tumoral en routine, afin de permettre au plus grand nombre de patients possible de bénéficier de traitements ciblés.

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