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 Le rôle clé des astrocytes pour le développement cognitif

COMMUNIQUÉ | 01 JUIL. 2021 - 20H00 | PAR INSERM (SALLE DE PRESSE)

NEUROSCIENCES, SCIENCES COGNITIVES, NEUROLOGIE, PSYCHIATRIE


Les astrocytes sont des cellules du cerveau qui ont longtemps été considérées uniquement comme de simples cellules de soutien des neurones. Depuis quelques années, elles sont de plus en plus étudiées, et leur importance pour le fonctionnement du cerveau est peu à peu mis au jour. Des chercheurs de l’Inserm, du CNRS et du Collège de France au Centre interdisciplinaire de recherche en biologie révèlent désormais le rôle crucial de ces cellules dans la fermeture de la période de plasticité cérébrale qui suit la naissance. Les astrocytes auraient une place centrale dans le développement des facultés sensorielles et cognitives après la naissance. A plus long terme, ces travaux permettent d’envisager de nouvelles stratégies pour ré-introduire la plasticité cérébrale chez l’adulte, et ainsi favoriser la rééducation après des lésions cérébrales ou des troubles neuro-développementaux. Ces travaux ont été publiés dans la revue Science.

La plasticité cérébrale est une période transitoire clé où le cerveau, après la naissance, remodèle le câblage des neurones en fonction des stimulations extérieures qu’il reçoit (environnement, interactions…).  La fin – ou fermeture – de cette période marque la stabilisation des circuits neuronaux, associée à un traitement efficace des informations et à un développement cognitif normal. Cela ne signifie pas qu’il n’y a plus aucune plasticité ensuite, mais qu’elle est très réduite par rapport au début de la vie.

Les problèmes qui interviennent pendant la période de plasticité cérébrale peuvent avoir des conséquences importantes à long terme. Ainsi par exemple, si durant cette période un individu souffre d’une pathologie oculaire qui l’empêche de voir correctement, comme par exemple un strabisme, le câblage cérébral qui correspond à cette faculté sera altéré définitivement si l’œil n’est pas soigné à temps.

Afin d’y remédier, les chercheurs ont pour objectif de remodeler ce câblage en identifiant une thérapie qui permettrait de réintroduire la plasticité cérébrale même après la fin du développement. Pour cela, ils cherchent aussi à mieux caractériser les mécanismes biologiques qui sous-tendent la fermeture de la période de plasticité cérébrale.
Des études pionnières des années 1980 ont montré que greffer des astrocytes immatures dans le cerveau d’animaux adultes permettait d’induire à nouveau une période de grande plasticité. L’équipe de la chercheuse Inserm Nathalie Rouach au Centre interdisciplinaire de recherche en biologie (Inserm/CNRS/Collège de France)[1] s’est inspirée de ce procédé pour révéler le processus cellulaire, jusqu’ici inconnu, à l’origine de la fermeture de la période de plasticité.

La greffe d’astrocytes immatures pour réintroduire la plasticité cérébrale
A travers des expériences menées en s’intéressant au cortex visuel de la souris, les chercheurs montrent que la présence des astrocytes immatures est clé pour la plasticité cérébrale. Les astrocytes orchestrent ensuite plus tard dans le développement la maturation d’interneurones[1] pendant la période de plasticité, ce qui aboutit in fine à sa fermeture. Ce processus de maturation a lieu via un mécanisme inédit impliquant l’action de la Connexine 30, une protéine que les chercheurs ont retrouvée en forte concentration dans les astrocytes matures durant la période de fermeture.

 
Le fait de greffer des astrocytes à des souris adultes pourrait-il permettre réintroduire une plasticité cérébrale ?
Afin de répondre à cette question, les chercheurs ont mis en culture des astrocytes immatures issues du cortex visuel de jeunes souris (qui avaient entre 1 et 3 jours). Ils ont ensuite greffé ces astrocytes immatures dans le cortex visuel primaire de souris adultes. Il s’agissait alors d’évaluer l’activité du cortex visuel après quatre jours d’occlusion monoculaire, une technique classique pour évaluer la plasticité cérébrale. Les chercheurs ont alors trouvé que la souris greffée avec des astrocytes immatures présentait un haut niveau de plasticité, contrairement à la souris non greffée.
 « Cette étude nous rappelle qu’en neurosciences nous ne devons pas uniquement nous intéresser aux neurones. Les cellules gliales, dont les astrocytes font partie, régulent la plupart des fonctions du cerveau. Nous avons réalisé que ces cellules ont des rôles actifs. Les cellules gliales sont en effet moins fragiles que les neurones et constituent donc un moyen plus accessible d’intervenir sur le cerveau. », souligne Nathalie Rouach, coordinatrice de l’étude.
Les cellules gliales représentent plus de la moitié des cellules du cerveau. Elles n’ont pas le même lignage cellulaire que les neurones et leurs fonctions sont très différentes.  On pensait jusque récemment qu’elles étaient les « nettoyeuses » du cerveau, mais les chercheurs ont réalisé qu’elles avaient aussi un rôle actif de libération de molécules. Par rapport aux neurones, elles arrivent plus tard dans le développement, n’ont pas le même mode de communication, et sont majoritaires.
Ces travaux sur les astrocytes permettent d’envisager de nouvelles stratégies cellulaires et moléculaires visant à ré-ouvrir une période de plasticité accrue chez l’adulte afin par exemple de favoriser la réadaptation après une lésion cérébrale ou de pallier les dysfonctionnements sensori-moteurs ou psychiatriques issus de troubles neuro-développementaux
 
[1]   Les interneurones établissent des connexions entre un réseau de neurones afférent (qui envoie les informations au système nerveux central) et un réseau de neurones efférents (qui envoient ces informations vers les organes répondant à la stimulation)

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Choc endotoxique : le rôle protecteur des cellules immunitaires neutrophiles

COMMUNIQUÉ | 27 AVRIL 2017 - 10H23 | PAR INSERM (SALLE DE PRESSE)

IMMUNOLOGIE, INFLAMMATION, INFECTIOLOGIE ET MICROBIOLOGIE

Des chercheurs de l’Institut Pasteur et de l’Inserm, en collaboration avec l’université de Stanford, viennent de démontrer le rôle protecteur des cellules immunitaires appelées polynucléaires neutrophiles dans le choc endotoxique, la composante du choc septique liée à l’action des toxines bactériennes. Cet effet reposerait sur la principale enzyme produite par ces cellules : la myéloperoxidase. Cette découverte est dans The Journal of Experimental Medecine.

Responsable de 50% des décès en réanimation, le choc septique est une défaillance circulatoire aiguë, due à une réponse inflammatoire incontrôlée, intervenant dans un contexte d’infection grave. Le choc septique implique, entre autres mécanimes, le choc endotoxique : celui-ci est plus particulièrement dû à l’action des toxines produites par les bactéries responsables de l’infection. Parmi ces toxines, les lipopolysaccharides (LPS) sont les principaux acteurs du choc endotoxique : ce sont eux qui déclenchent la cascade immunitaire excessive, prolongée et déséquilibrée à l’origine de la défaillance multi-viscérale.

Parmi l’arsenal immunitaire de l’organisme pour lutter contre les infections bactériennes, les polynucléaires neutrophiles, des globules blancs impliqués dans la réponse immunitaire innée, ont déjà été décrits comme ayant une activité antimicrobienne. Cependant, la communauté scientifique pensait qu’ils pouvaient également avoir un rôle délétère, lors de l’exposition de l’organisme à des toxines bactériennes comme les LPS. Ils étaient en effet supposés exacerber l’inflammation et les dommages tissulaires associés à une exposition aux LPS.
Des chercheurs de l’unité « Anticorps en thérapie et pathologie » (Institut Pasteur/Inserm), en collaboration avec l’université de Stanford, ont observé qu’au contraire, ces neutrophiles jouaient un rôle protecteur contre l’inflammation déclenchée par le LPS. Les chercheurs ont pour cela construit le premier modèle murin permettant une diminution très sélective du nombre de neutrophiles, et ce de manière inductible et réversible. Ils ont ainsi montré qu’une déplétion des neutrophiles rendait les souris plus susceptibles aux effets toxiques du LPS, diminuant leur survie et activant fortement leur production de cytokines, les molécules messagères de l’inflammation.

Plus en détail, les chercheurs montrent que cette capacité protectrice des neutrophiles est due à la myéloperoxidase (MPO), la principale enzyme produite par ces cellules. « Cette protéine, pourtant couramment utilisée comme marqueur d’inflammation, ne la démultiplie pas, souligne Laurent Reber, premier auteur de ce travail. Au contraire, elle joue un rôle protecteur ». « Les patients qui ont des niveaux de MPO bas ont d’ailleurs un plus mauvais pronostic en cas de choc septique », ajoute Caitlin Gillis, également co-premier auteur du papier.

« Nous avons en quelque sorte résolu un paradoxe, conclue Laurent Reber. Les neutrophiles associent bien, de manière cohérente, un caractère antimicrobien et une capacité à limiter la toxicité des bactéries. Le modèle animal que nous avons développé va désormais nous permettre d’explorer de manière plus large la fonction des neutrophiles dans des mécanismes d’immunité innée et adaptative. Nous allons aussi essayer de comprendre comment agit la MPO vis-à-vis du LPS et pourquoi elle n’a aucun effet sur d’autres toxines bactériennes ».
Ce travail a bénéficié de financements de l’Institut Pasteur, de l’Inserm, de l’université de Stanford, de l’ERC (projet MyeloSHOCK) et du NIH.

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sang
(latin sanguis, -inis)

Consulter aussi dans le dictionnaire : sang
Cet article fait partie du dossier consacré à la nutrition.

Liquide rouge qui circule dans les artères, les veines et les capillaires sous l'impulsion du cœur, et qui irrigue tous les tissus de l'organisme, auxquels il apporte les éléments nutritifs (glucose, par exemple) et l'oxygène, et dont il recueille les déchets.
Le sang est véhiculé par l'appareil circulatoire jusqu'aux tissus, où il remplit des fonctions essentielles ; en mouvement permanent, il représente l'élément de liaison entre tous les tissus.

Grâce à sa composition complexe et à sa circulation rapide, le sang, en irriguant tous les tissus, assure de multiples fonctions. Il permet notamment, par l'intermédiaire du réseau capillaire interposé entre la circulation artérielle et la circulation veineuse, le transport des gaz (oxygène, monoxyde d'azote et gaz carbonique), celui de substances nutritives (glucides, lipides, protides), celui des éléments nécessaires aux défenses de l'organisme contre les bactéries, parasites et virus (anticorps, éosinophiles, lymphocytes, monocytes, polynucléaires neutrophiles).
La circulation sanguine est assurée par les contractions du muscle cardiaque. Celui-ci envoie à chaque contraction environ la moitié du sang vers les poumons, où le gaz carbonique est évacué dans l'air expiré, alors que l'oxygène est absorbé par les globules rouges. L'autre partie du sang est envoyée par l'aorte vers les différents tissus, d'où il revient par les veines caves.

COMPOSITION DU SANG

Le volume sanguin est constitué par des cellules, pour près de sa moitié (surtout des hématies, encore appelées globules rouges ; leucocytes, ou globules blancs ; thrombocytes, ou plaquettes), et par le plasma.

LES ÉLÉMENTS FIGURÉS DU SANG

Les hématies contiennent essentiellement l'hémoglobine, pigment dont le rôle fondamental est de transporter l'oxygène des poumons vers les tissus. L'oxygène y est alors relâché et les globules rouges se chargent en retour de gaz carbonique, produit de déchet du métabolisme cellulaire, qu'ils transportent par le système veineux jusqu'aux poumons, où il est éliminé dans l'air expiré.

        Les leucocytes comprennent différents types cellulaires : les polynucléaires neutrophiles et les monocytes, qui jouent un rôle essentiel dans la défense non spécifique contre les infections bactériennes, les champignons et les parasites ; les lymphocytes, supports cellulaires de l'immunité spécifique ; les polynucléaires éosinophiles, qui jouent un rôle dans l’allergie et la défense anti-parasitaire ; les polynucléaires basophiles, qui jouent un rôle dans l'inflammation.

       
Les plaquettes jouent un rôle essentiel, avec les facteurs de coagulation, dans la formation du caillot sanguin et donc dans l'hémostase (arrêt des hémorragies).
Le plasma est un liquide jaune paille, composé à 95 % d'une eau légèrement salée (9 ‰) et de nombreux autres éléments en quantité variable, dont des éléments nutritifs, des déchets et des protéines. Ses propriétés physicochimiques sont remarquablement constantes, en particulier son pH (degré d'acidité), à 7,42, stabilisé par des substances tampons, et sa concentration en divers ions (sodium, potassium, chlore, phosphate, etc.), dont la constance dépend d'une régulation faisant intervenir les poumons, les reins et diverses hormones.

LES PRINCIPAUX CONSTITUANTS DU PLASMA SANGUIN
• Les éléments nutritifs du plasma sont les sucres, notamment le glucose, les graisses (cholestérol, triglycérides, acides gras), les acides aminés, les sels minéraux et les vitamines. Absorbés par voie intestinale, ces éléments nutritifs sont transportés vers les tissus ou un lieu de stockage comme le foie, d'où ils seront libérés selon les besoins de l'organisme.

• Les déchets du plasma sont principalement l'urée et la bilirubine. L'urée, produit final de dégradation des substances azotées, est transportée par le plasma vers les reins, où elle est éliminée dans les urines ; son taux est élevé en cas d'insuffisance du fonctionnement rénal. La bilirubine provient de l'hémoglobine et résulte de la destruction physiologique des globules rouges par les macrophages ; la bilirubine normale du sang n'est pas encore passée par le foie et est dite « libre » (par opposition à la bilirubine « conjuguée », qui résulte de sa transformation chimique dans le foie et est excrétée dans la bile). Un excès de bilirubine dans le plasma s'observe en cas d'hyperdestruction des globules rouges ou en cas de maladie hépatique.

• Les protéines du plasma sont extrêmement nombreuses. Ce sont en particulier toutes les protéines de la coagulation, dont le fibrinogène (un plasma dont la fibrine a été éliminée prend le nom de sérum) ; l'albumine, protéine quantitativement la plus importante du plasma à l'état normal, qui joue un rôle essentiel de transport d'hormones et de vitamines, mais aussi de médicaments  ; les alphaglobulines, qui comportent diverses protéines (alpha-1-antitrypsine, par exemple, dont le déficit est responsable de troubles respiratoires) ayant une activité inhibitrice d'enzyme protéolytique (destruction sélective des protéines) ; les alpha-2-globulines, qui comprennent différentes protéines dont le taux s'élève en cas d'inflammation ; les bêtaglobulines, qui comprennent des anticorps (immunoglobulines) mais aussi d'autres protéines comme la transferrine et le complément ; les gammaglobulines, qui sont constituées exclusivement d'immunoglobulines. Les protéines du plasma comprennent, en outre, les hormones et certains facteurs de croissance, messagers chimiques transportés par le sang pour réguler la production des diverses cellules de l'organisme (érythropoïétine, par exemple, qui stimule la synthèse des globules rouges par la moelle osseuse).
La grande taille des protéines les empêche de passer du sang vers les tissus et permet au plasma de retenir l'eau. Ce mécanisme, appelé pression oncotique, tend à maintenir constant le volume sanguin.

LES FONCTIONS DU SANG
La première est le transport des gaz respiratoires, qui assure les échanges entre les poumons et les tissus : le sang apporte l'oxygène nécessaire à leur fonctionnement et emporte le dioxyde de carbone, déchet du métabolisme tissulaire, afin qu'il soit éliminé. (→ respiration.)
Le sang apporte aux cellules les nutriments issus de la digestion et emporte les déchets (urée, électrolytes, etc.) du métabolisme jusqu’au foie et aux reins, qui assurent leur élimination. Il joue également un rôle dans la thermorégulation. (→ métabolisme.)
Le sang participe à la défense immunitaire de l'organisme, et il dispose de plusieurs mécanismes pour lutter contre le développement de micro-organismes (bactéries, virus, parasites). Cette fonction, qui repose essentiellement sur les globules blancs, consiste en des réactions immunes spécifiques de l'antigène et des réactions non spécifiques. (→ immunité.)
Sa fonction tampon permet au sang, en relation avec les poumons et les reins, de participer, grâce aux différents sels qu'il contient (tels les bicarbonates), au maintien de l'équilibre acido-basique du milieu intérieur. (→ homéostasie.)
La fonction d'hémostase et de coagulation sanguine intervient pour arrêter tout saignement, qu'il soit interne ou externe : au cours d'une première étape, dite « hémostase primaire », entrent en jeu les plaquettes ; la seconde étape, la coagulation proprement dite, correspond à l'activation de nombreux facteurs plasmatiques solubles (appelés facteurs de la coagulation) aboutissant à la production de fibrine pour obtenir un caillot insoluble. (→ coagulation.)

LES ANALYSES DU SANG
Elles permettent d'obtenir des informations sur sa composition en globules, en protéines, en antigènes, en anticorps et en gaz. Il existe 3 principaux types d'analyses sanguines.
Le sang est recueilli dans une veine du pli du coude à l'aide d'une seringue après pose d'un garrot au-dessus du point de ponction. Dans certains cas, lorsque quelques gouttes suffisent, on les prélève en piquant le bout du doigt. Les résultats des tests sont comparés à des normes standards qui peuvent varier en fonction de l'âge et du sexe du patient, mais aussi en fonction du laboratoire, selon la méthode employée.
Les examens hématologiques, dont les plus importants sont l'hémogramme et les tests de coagulation (temps de saignement, temps de coagulation, taux de prothrombine, temps de céphaline activée, numération des plaquettes), permettent l'étude des composants du sang (forme, nombre, taille des globules) et des facteurs de la coagulation.
Les examens biochimiques étudient les différentes substances chimiques du plasma (sodium, urée, vitamines, etc.). Les protéines du sérum sanguin peuvent être étudiées par l'électrophorèse des protides.
Les examens microbiologiques, et notamment l'hémoculture, consistent à rechercher dans le sang différents micro-organismes (antigènes, bactéries, champignons microscopiques, virus) ainsi que les anticorps qui se sont formés contre eux.

LES MALADIES DU SANG
Le sang est le reflet de nombreuses pathologies qui affectent soit la moelle osseuse (origine centrale), soit, directement, les cellules sanguines circulantes (origine périphérique). Toutes les maladies se traduisent soit par une diminution des cellules sanguines normales, ou cytopénie – dans le cas des hématies, on parle d'anémie, et dans celui des plaquettes, de thrombocytopénie –, soit par une augmentation de cellules normales – polyglobulie, si ce sont des hématies – ou anormales, comme dans les leucémies.
Les anémies, anomalies les plus fréquentes, sont caractérisées par une diminution de l'hémoglobine, accompagnée ou non d'une réduction du nombre des hématies circulantes. Leurs causes sont multiples : manque de fer et de certaines vitamines (anémies carentielles), moelle osseuse déficiente (aplasie médullaire) en relation avec une cause infectieuse ou toxique, ou avec une prolifération anarchique de cellules cancéreuses, qui « étouffent » progressivement les cellules souches normales (leucémies).

Certaines maladies de la moelle qui sont mortelles nécessitent le recours à une greffe ; dans l'attente d'un donneur compatible, le seul traitement substitutif repose sur les transfusions sanguines.
Dans certaines régions du monde (Bassin méditerranéen, Afrique), on rencontre fréquemment des anémies (dites hémolytiques) secondaires à une anomalie héréditaire de l'hémoglobine (thalassémie, drépanocytose, etc.), qui va de pair avec un raccourcissement important de la durée de vie des hématies. Dans certaines situations pathologiques acquises, des auto-anticorps, spécifiques d'antigènes présents sur les hématies ou les plaquettes, peuvent être à l'origine de cytopénies auto-immunes comme la thrombopénie.
Chacun des composants du sang peut présenter différentes anomalies.

Les maladies touchant les hématies peuvent résulter de déficits, nutritionnels ou par malabsorption, principalement en fer (anémie ferriprive), acide folique (anémie mégaloblastique) et vitamine B12 (maladie de Biermer), ou d'anomalies génétiques (thalassémie et drépanocytose, par exemple), qui peuvent être dominantes (il suffit que le gène déficient soit reçu de l'un des parents pour que l'enfant développe la maladie) ou récessives (ne se développant que si le gène responsable est reçu du père et de la mère), ou encore liées au chromosome X (chromosome sexuel). Elles peuvent encore découler de mutations acquises aboutissant à une prolifération anormale (polyglobulie) ou d'infections parasitaires (destruction des globules rouges en cas de paludisme, par exemple).
Les maladies touchant les leucocytes sont avant tout les leucémies, affections malignes de la moelle osseuse entraînant une production de globules blancs anormaux et la destruction de la moelle saine. Par ailleurs, les maladies infectieuses du sang peuvent être favorisées par un manque de polynucléaires neutrophiles et de monocytes (infections bactériennes) ou par un déficit en lymphocytes (infections virales et mycosiques).
Les maladies retentissant sur la composition du plasma résultent d'anomalies de la synthèse ou du catabolisme des composants génétiques de celui-ci (en particulier anomalies des facteurs de la coagulation, responsables d'hémophilie) ou sont acquises (synthèse d'une immunoglobuline anormale, responsable de myélome multiple ou de maladie de Waldenström). Les affections retentissant le plus sur la composition du plasma sont celles du foie (cirrhose) et du rein (syndrome néphrotique du diabète). Ainsi, la diminution de la production d'albumine par le foie ou la perte excessive d'albumine par le rein peuvent entraîner une carence en albumine associée à des œdèmes ; l'insuffisance rénale fonctionnelle accroît le taux d'urée, de créatinine et de potassium dans le plasma.

LE PRÉLÈVEMENT DE SANG
Lors d'un prélèvement de sang, afin d'éviter la formation d'un caillot – ce qui fournirait du sérum – et ainsi permettre une analyse, il faut ajouter un anticoagulant capable d'inhiber de façon permanente la coagulation. Le sang anticoagulé peut être conservé à 4 °C pendant 24 h. Les cellules sont isolables par centrifugation (technique de séparation des cellules et du plasma). Les progrès des méthodes microscopiques ont permis à la science du sang de prendre son essor.
Le sang peut être prélevé chez un donneur volontaire sain pour être utilisé en transfusion sanguine.
Voir : hémopathie, leucocyte, lymphocyte, monocyte, plaquette, plasma, polynucléaire.

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L'ADN : DÉCHIFFRER POUR MIEUX COMPRENDRE LE VIVANT

L'émergence d'outils et de disciplines


© CEA
La connaissance de l'ADN et de son fonctionnement a fortement progressé ces dernières années grâce aux progrès technologiques.

Publié le 25 janvier 2018

L'évolution des technologies a été fulgurante. Dans les années 1990, il a fallu 13 ans pour séquencer les 3,3 milliards de bases du génome humain alors qu'aujourd'hui, une vingtaine de séquenceurs utilisés en simultané permettent de le faire en 15 minutes. Rapidité, faible coût et surtout faible quantité d'ADN requise ouvrent le champ à de nouvelles applications, notamment dans l'épigénétique et le diagnostic médical.

LE SÉQUENÇAGE
Des révolutions technologiques
En 40 ans, le séquençage a connu de vraies révolutions technologiques grâce aux avancées en physique, chimie et aux nanotechnologies. L'activité, coûteuse à ses débuts, a développé une organisation de type industriel et optimise les rendements grâce à des séquenceurs automatiques. Les dépôts d'échantillons se faisaient à la main sur les premiers séquenceurs à gel. Aujourd'hui, un séquenceur (destiné à analyser des génomes autres qu'humains) est intégré dans une clef USB et s'acquiert pour moins de 1 000 euros. La première technique largement utilisée dès 1977 a été la méthode Sanger, du nom du double prix Nobel de chimie qui l'a mise au point. À partir de 2005, apparaissent de nouvelles technologies de séquençage dites de 2e génération, tel que le pyroséquençage. Des millions de molécules, toutes issues du même échantillon, sont traitées en même temps ; c'est l'heure du séquençage haut débit ! Bien qu'elles aient toutes des spécificités très différentes, trois phases les caractérisent. La première, la préparation d'une collection d'ADN d'intérêt. La deuxième : l'amplification de l'ensemble des fragments afin de générer un signal suffisant pour que le séquenceur le détecte. Et enfin la phase de séquençage elle-même : pendant la synthèse du brin complémentaire, un signal est généré à chaque fois qu'un nouveau nucléotide est incorporé. Inconvénient : les séquences sont plus courtes et le taux d'erreur plus élevé que précédemment ; ce problème est aujourd'hui résolu sur les séquenceurs de dernière génération.
Les années 2010 voient se développer de nouvelles plateformes, dites de 3e  génération. Ces appareils sont si sensibles qu’ils sont capables de séquencer une seule molécule d’ADN en quelques dizaines de minutes ! La dernière innovation présente un avantage majeur : pas besoin de répliquer l'ADN ni d'utiliser de fluorochromes, substance chimique capable d'émettre de la lumière par fluorescence. Sous la forme d’une puce dotée de nanopores (des canaux qui traversent une membrane), la machine capte directement les signaux électriques de chaque base d'ADN qui traverse le canal et permet de séquencer en un temps record. Cette méthode est pour l’instant réservée à de petits génomes, pas au génome humain.

La course aux génomes

La quête des gènes débute dans les années 1970. Lire la séquence de l’ADN devient indispensable pour les étudier, comprendre leur fonction et déceler les mutations responsables de maladies. Objectif ultime : déchiffrer les quelques 3,3 milliards de bases (3 300 Mb) du génome humain. Le projet est aussi ambitieux et presque aussi fou que celui d’envoyer un homme sur la Lune ! Les chercheurs commencent par de petits génomes. En 1995, le premier séquencé et publié est celui d’Haemophilus influenzae (1,8 Mb), une bactérie responsable de la méningite chez l’enfant. Suivra en 1996 celui d’un génome eucaryote unicellulaire, la levure Saccharomyces cerevisiae (12,5 Mb). Puis ce sera le tour du ver Caenorhabditis elegans (97 Mb) en 1998.

En 30 ans, les séquenceurs ont vu leur capacité augmenter d'un facteur 100 millions !


Quant au projet "Human genome", il démarre officiellement en 1989, pour une durée prévue de 15 ans et un budget global estimé à 3 milliards de dollars. Plus de 20 laboratoires de 7 pays différents sont impliqués. Les deux plus importants sont le Sanger Center (Grande-Bretagne) et le Whitehead Institute (États-Unis). En 1997, la France s'équipe d'une plateforme nationale, le Genoscope, et prend en charge le chromosome 14. La version complète de la séquence du génome humain sera publiée en avril 2003, avec plusieurs années d'avance (les chercheurs la complètent encore aujourd'hui). La course aux génomes continue : en août 2016, la base de données génomique internationale, en libre accès sur le site Gold (Genome On Line Database), faisait état de 13 647 organismes séquencés et publiés.

LA GÉNOMIQUE FONCTIONNELLE

La quête des gènes ressemble souvent à une pêche miraculeuse ! Une fois détectés et annotés, leur fonction reste à vérifier et les conditions de leur expression à découvrir. C'est là que la génomique structurelle atteint ses limites et que la génomique fonctionnelle prend le relais.
Cette dernière dresse un inventaire qualitatif et quantitatif sur deux niveaux : le transcriptome et le protéome. Le premier désigne l’ensemble des transcrits (ARNm) et le deuxième l’ensemble des protéines fabriquées. Alors que le génome est unique pour un organisme donné, il existe autant de transcriptomes et de protéomes que de stades de développement cellulaire ! Grâce aux nouvelles technologies de séquençage, l’étude de l’ensemble des transcrits permet non seulement de réaliser un catalogue des gènes exprimés mais aussi de quantifier l’expression des gènes et de déterminer la structure de chaque transcrit à un moment donné. Une deuxième technologie, les puces à ADN, permet aussi d’étudier le transcriptome par l’observation simultanée de l’expression de plusieurs milliers de gènes dans une cellule ou un tissu donné. L’analyse d’un transcriptome peut, par exemple, indiquer le stade de développement d’un cancer et permettre ainsi d’adapter au mieux le traitement du patient.
LE GÉNOTYPAGE : Le génotypage cherche les différences dans la séquence des génomes d'individus d'une même espèce. Ces différences constituent des " marqueurs génétiques ". Pour les trouver, le génotypage fait appel à trois technologies différentes ; le séquençage, les puces à ADN et la spectrométrie de masse. Les marqueurs potentiellement intéressants sont ceux qui se transmettent au sein d'une famille de la même manière et en même temps que le gène impliqué dans une maladie. Les études génétiques à haut débit consistent à analyser des centaines de milliers de ces marqueurs sur des milliers d'individus afin d'identifier et localiser les gènes prédisposant à des pathologies


LA MÉTAGÉNOMIQUE
Les technologies de séquençage permettent aujourd’hui d’appréhender le génome de tous les organismes d’un même écosystème en même temps ; la génomique fait place à la métagénomique.
Vidéo
Métagénome et santé

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Le projet international  "MetaHIT ”, auquel participe le CEA, a pour objectif d’étudier le génome de l'ensemble des bactéries constituant la flore intestinale humaine. Lourde tâche : le métagénome contient 100 fois plus de gènes que le génome humain et 85 % des bactéries sont encore inconnues. Premier résultat obtenu en mars 2010 : le séquençage de l’ensemble des gènes révèle que chaque individu abrite au moins 170 espèces différentes de bactéries intestinales.
En avril 2011, les chercheurs font une découverte assez inattendue. Ce ne sont pas les 3 signatures bactériennes intestinales identifiées qui sont corrélées à l'origine géographique, à l’âge ou à la masse corporelle des individus mais bien quelques poignées… de gènes bactériens ! La preuve de concept est faite : ces derniers pourront être utilisés comme biomarqueurs pour aider au diagnostic des patients touchés par des maladies comme l’obésité ou la maladie de Crohn. En 2014, une nouvelle approche permet de reconstituer le génome de 238 espèces complètement inconnues. Les chercheurs ont également trouvé plus de 800 relations de dépendance qui permettent de mieux comprendre le fonctionnement global de cet écosystème intestinal.

L'ÉPIGÉNÉTIQUE
Peut-on tout expliquer par la génétique ? Dès 1942, Conrad Waddington souligne l'incapacité de cette discipline à expliquer le développement embryonnaire. Comment, en effet, expliquer la différence entre une cellule du foie et un neurone alors que toutes renferment le même programme ? Ce généticien désigne l'épigénétique comme le lien entre les caractères observables (phénotypes) et l'ensemble des gènes (génotypes).
Comparons l'organisme à une voiture ; la génétique serait l'établi sur lequel sont exposées toutes les pièces mécaniques et l'épigénétique la chaîne d'assemblage des différents éléments. Ainsi, l'épigénétique jouerait les chefs d'orchestre en indiquant pour chaque gène à quel moment et dans quel tissu il doit s'exprimer. Suite à la découverte des premiers mécanismes épigénétiques qui régulent l'expression des gènes, les chercheurs ont appris à « museler » un gène à des fins thérapeutiques.
Première méthode : par modification des protéines sur lesquelles s'enroule l'ADN. Le gène se compacte et devient alors inaccessible à la transcription ; il ne s'exprime plus. Seconde méthode : inactiver directement son ARNm avec des ARN interférence qui bloquent sa traduction. Depuis les années 1990, de nouvelles molécules associées à la régulation épigénétique sont découvertes. L'ensemble de ces molécules, le plus souvent trouvées dans l'ADN non-codant, forme l'épigénome. Complémentaire de la génétique, l'épigénétique donne une vue plus complète de la machinerie cellulaire et révèle une surprenante complexité dans les régulations de l'expression génique. Elle ouvre des perspectives dans la compréhension et le traitement de nombreuses maladies.

CNRGH et GENOSCOPE - Au sein de l'Institut de biologie François Jacob, ces deux services développent des stratégies et thématiques scientifiques distinctes, sur un socle de ressources technologiques communes. Le Centre national de recherche en génomique humaine (CNRGH) est axé sur la génomique humaine et la recherche translationnelle. Les recherches du Genoscope (aussi appelé Centre national de séquençage) portent sur l'exploration et l'exploitation de la biodiversité génomique et biochimique.

LE PROJET TARA
L'expédition « Tara Oceans » a débuté en septembre 2009. Pour explorer la diversité et évaluer la concentration du plancton, 40 000 prélèvements ont été réalisés. Leur analyse permet d'étudier l'effet du réchauffement climatique sur les systèmes planctoniques et coralliens, ses conséquences sur la vie marine et donc la chaîne alimentaire. Elle aidera à mieux comprendre l'origine de la vie sur Terre. Enfin, le plancton représente une ressource de biomolécules potentiellement intéressante pour la chimie verte, l'énergie ou encore la pharmacie. Le Genoscope est chargé de l'analyse génétique des 2 000 échantillons « protistes » et « virus » ! En mai 2016, la goélette est repartie pour l'expédition « Tara Pacific ».

Objectif : Mieux comprendre la biodiversité des récifs coralliens, leur capacité de résistance, d'adaptation et de résilience face aux changements climatiques et à la pollution et dégradations dues à l'Homme. À bord et à terre, les chercheurs continuent leur travail de séquençage pour établir une base de données de tous les échantillons prélevés.

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