Cellule souche

En biologie cellulaire, une cellule souche est une cellule indifférenciée capable, à la fois, de générer des cellules spécialisées par différenciation cellulaire et de se maintenir dans l'organisme par division symétrique ou division asymétrique. Les cellules souches sont présentes chez tous les êtres vivants multicellulaires. Elles jouent un rôle central dans le développement des organismes ainsi que dans le maintien de leur intégrité au cours de la vie.
L'étude des cellules souches animales est un domaine de recherche très actif notamment en raison de leurs applications en médecine. Ce domaine d'étude a récemment connu une rapide expansion avec la mise au point de techniques permettant de générer, en culture, des cellules souches pluripotentes à partir de n'importe quelle cellule du corps, ces cellules souches sont dites induites1. Cependant, les cellules souches sont également présentes chez les autres formes de vie pluricellulaire comme dans les méristèmes des plantes.
    
        Articles connexesClassement selon leur potentiel
* Les cellules souches peuvent se distinguer en fonction de leur potentiel de différenciation :        •    Les cellules souches totipotentes : pouvant donner tout type cellulaire, et donc un organisme entier ;
* Les cellules souches pluripotentes : capables de donner tous les types cellulaires sauf les annexes embryonnaires ;
* Les cellules souches multipotentes : susceptibles de donner différents types de cellules, mais spécifiques d'un lignage cellulaire donné ;
    •    Les cellules souches unipotentes : qui ne peuvent donner qu'une seule sorte de cellule (elles peuvent cependant, comme toute cellule souche, s'auto-renouveler, d'où l'importance de les distinguer des précurseurs).

    Classement selon leur origine
Pour les recherches scientifiques ou médicales, les cellules souches humaines (et plus généralement de mammifères) peuvent aussi être classées par rapport à leur origine : embryonnaire, fœtale ou adulte.
Les équipes de James Alexander Thomson aux États-Unis (sur des blastocystes humains) et de Shinya Yamanaka au Japon (cellules de souris) ont réussi en 2007 à dédifférencier des cellules adultes en cellules souches embryonnaires par transformation génétique. Ceci pourrait marquer une avancée importante, puisqu'elle permettrait la recherche sur les cellules souches embryonnaires sans utiliser d'embryons à cette fin.
En 2007, le professeur Yamanaka (Université de Kyoto) a réussi à produire des cellules souches à partir de cellules somatiques adultes, par l'introduction de facteurs de transcription dans des cellules somatiques. Un des problèmes, qui était l'utilisation d'un oncogène c-myc, a été levé un an plus tard par la même équipe2. Ces cellules peuvent sous l'action de certains facteurs (également oncogènes) se différencier en divers types de tissus, et on espère dans un futur proche, pouvoir utiliser des cellules souches pour soigner des maladies cérébrales telles que la maladie d'Alzheimer.

Embryonnaires
Aussi appelées « cellules ES » (de l'anglais embryonic stem, « souches embryonnaires »), ce sont des cellules souches pluripotentes présentes dans l'embryon peu de temps après la fécondation jusqu'au stade de développement dit de blastocyste où elles constituent encore la masse cellulaire interne (les autres cellules du blastocyste sont les cellules du trophectoderme).
* Ces cellules sont à l'origine de tous les tissus de l'organisme adulte et sont ainsi pluripotentes. Elles peuvent être isolées et cultivées in vitro à l'état indifférencié. Dans des conditions de cultures précises (mise en suspension, facteurs de croissance particuliers...), on peut orienter leur différenciation vers un type cellulaire donné :3        •    Ectoderme (neurones, peau)
* Mésoderme (muscle, sang, os, cartilage)
* Endoderme (Poumon, intestin, foie)
    •    Gamètes (Spermatozïdes, ovocytes)    Les cellules souches embryonnaires ont été isolées et cultivées chez la souris à partir du début des années 1980 et ont permis de mettre au point la technique d'invalidation de gène par recombinaison homologue (ou knock-out) qui permet, après réintroduction de ces cellules mutées dans un embryon receveur et des croisements, d'obtenir des souris homozygotes pour une mutation dans un gène donné.
Elles sont en pratique prélevées à partir des cellules de la masse interne du blastocyste (un embryon faisant moins de 150 cellules), ce qui nécessite la destruction de l'embryon. Elles peuvent être obtenues à partir d'embryons surnuméraires congelés, issus d'une fécondation in vitro, ou par clonage (par transfert du noyau d'une cellule dans un ovule préalablement privé du sien).
Ces cellules pourraient permettre la mise au point d'une thérapie cellulaire à de nombreuses pathologies dégénératives (par exemple régénération des neurones à dopamine lésés dans la maladie de Parkinson après réintroduction dans le cerveau, réparation du tissu musculaire cardiaque endommagé après un infarctus...)Voir Cellule souche (médecine).

Fœtales
Une cellule souche fœtale est un type de cellule souche multipotente d'origine fœtale. Elles peuvent être prélevées sur des fœtus issus d'une interruption volontaire de grossesse. Les cellules souches fœtales ont la particularité d'être déjà orientées vers un type cellulaire particulier.

Adultes

Article connexe : cellule somatique.
Les cellules souches adultes sont des cellules indifférenciées que l'on trouve au sein de tissus qui sont composés en majorité de cellules différenciées dans la plupart des tissus et organes adultes. Ce sont généralement des cellules multipotentes. Elles sont capables de donner naissance à différentes lignées cellulaires d'un tissu donné. Elles sont la base du renouvellement naturel d'un tissu et de sa réparation à la suite d'une lésion.
Elles sont qualifiées de « somatiques » (du grec σωμα sōma = le corps), par opposition aux cellules germinales, et peuvent être trouvées non seulement chez les adultes, mais aussi chez les enfants et même dans le cordon ombilical.
Caractéristiques[modifier | modifier le code]   

    Les cellules souches sont souvent capables d'effectuer deux types de division cellulaire : une, classique, elle est dite symétrique (la cellule se divise en 2 cellules souches) et une asymétrique, qui donne d'un côté un progéniteur, cellule plus différenciée, et de l'autre une cellule souche. Ainsi, c'est l'utilisation de la division symétrique qui permet à une population souche de maintenir son nombre plus ou moins constant lors de la production de cellules différenciées.
* Il existe deux étapes dans la création d'une cellule différenciée :        •    la différenciation, durant laquelle une cellule subit un changement qualitatif de phénotype. Par exemple, l’apparition de nouvelles protéines membranaires, due à l’activation de l’expression d’un gène donné. Une différenciation stricto sensu est donc un événement ponctuel ;
1. la maturation où la cellule subit un changement quantitatif de phénotype. Cela correspond à l’augmentation de la production de certaines protéines, et donc nécessairement plus ou moins long.    On pourra ainsi distinguer trois phases lors de la formation d'un tissu différencié :        1    Une première dans laquelle les cellules souches se divisent et soit se renouvellent, soit créent des cellules déterminées. Cette phase ne comprend que des divisions mitotiques.
2. Dans la phase suivante, qualifiée d’intermédiaire, les cellules déterminées sont des cellules de transit, elles subissent à la fois des mitoses et une maturation/différenciation. Elles deviennent donc de plus en plus mûres, tout en continuant à se diviser.
    3    La dernière phase est une phase de maturation : les cellules ne se divisent plus mais ne font plus que se différencier et mûrir, jusqu’à donner des cellules mûres, dotées de tout le matériel nécessaire à leur fonction.    Entre la première phase (prolifération sans différenciations) et la troisième (différenciations sans prolifération), la phase intermédiaire est très flexible, permettant des périodes de maturation plus ou moins longues, différent selon les lignées cellulaires.
Les cellules souches existent durant toute la vie de l'organisme, mais on peut distinguer, chez les mammifères notamment, les cellules souches embryonnaires et les cellules souches adultes.
Fonctions[modifier | modifier le code]
Articles détaillés : cellule souche animale et méristème.

Développement embryonnaire

Les cellules souches embryonnaires sont les cellules centrales du développement, puisqu'elles vont générer progressivement toutes les autres cellules de l'organisme, grâce à des étapes de différenciation et de prolifération finement orchestrées pour créer, finalement, un individu pluricellulaire viable.
Organisme adulte[modifier | modifier le code]   

        Cellules souches embryonnaires humaines :
A : cellules souches humaines encore indifférenciées.
B : cellules nerveuses.    Les cellules souches adultes sont beaucoup plus rares, puisqu'une fois le développement terminé, la nécessité de proliférer peut devenir dangereuse. Les cellules souches perdurent donc en des endroits restreints dans chaque tissu ; ces niches ont des mécanismes de maintien complexes et sont régulées pour ne produire que les cellules nécessaires au maintien d'un organisme fonctionnel.
Ces cellules souches sont moins « pluripotentes » que celles constituant l'embryon : elles ne peuvent produire que des cellules spécifiques de leur tissu. Par exemple, chez les mammifères adultes, les cellules souches hématopoïétiques régénèrent en continu les cellules du sang. Il existe également des cellules souches intestinales ainsi que des cellules souches neurales. Ces dernières ne sont présentes que dans deux régions distinctes du cerveau : l'hippocampe et la zone sous-ventriculaire (zone bordant les ventricules latéraux).

* La présence de cellules souches peut servir différents mécanismes en fonction du tissu :        •    Les cellules souches seraient en partie responsables de la régénération des membres chez certains animaux. Ce phénomène existe ainsi chez certains vertébrés (comme le lézard, le triton ou la salamandre).
* l'organe contenant le tissu doit grandir soit durant la croissance, soit pour pouvoir assurer une fonction, par exemple le cœur des athlètes est plus gros, l'utérus grossit durant la grossesse, etc.
* les cellules vieillissent et meurent (par exemple les globules rouges, cellules sans noyau et privées d'ADN, dont la durée de vie est de 120 jours ou encore les kératinocytes de la surface de la peau) et celles-ci doivent se renouveler.
*
    •    un traumatisme, une ischémie, ou d'autres phénomènes peuvent créer la mort de cellules qui doivent être régénérées ; cette régénération est parfois imparfaite soit par manque de cellules souches, soit parce que l'architecture du tissu est trop bouleversée (ce qui dépend à la fois du tissu et du dommage qu'il a subi).

    Découvertes
Article détaillé : Cellules souches embryonnaires.
En 1961, les cellules souches ont été découvertes par le biophysicien James Till et son collègue Ernest McCulloch. En 1981, les cellules souches embryonnaires ont été identifiées chez la souris par Martin Evans, Kaufman et Martin4,5, et en 1998 chez l’homme par les équipes de l'Américain James Alexander Thomson, de Joseph Itskovitz-Eldor et de l'Israélien Benjamin Reubinoff6,7. En 2000, ce dernier transforme des cellules ES en neurones8.
En 2006, les cellules souches pluripotentes induites (CSPi) sont découvertes indépendamment par Shinya Yamanaka et James Alexander Thomson9. Ces cellules iPS sont des cellules matures qui permettent ainsi de donner naissance à tous types de cellules de l'organisme. Cette technique passe par ailleurs par la reprogrammation génétique en laboratoire10. En outre, la manipulation génétique permet d’obtenir de telles lignées cellulaires sans destruction d’embryons. Cette découverte a été récompensée par le prix Nobel de médecine en 2012 pour Shinya Yamanaka.

Techniques de production
* Il existe plusieurs types de techniques pour obtenir des cellules souches pluripotentes :        •    à partir d'embryons (cellules souches embryonnaires),
* à partir d'œufs non fécondés,
* à partir de cellules souches embryonnaires modifiées en laboratoire,
* à partir d'une cellule mature reprogrammée génétiquement (voir CSPi),
*
    •    à partir d'une cellule différenciée et mature puis cultivées en laboratoire.    Applications médicales

Article détaillé : cellule souche (médecine).
En médecine, les cellules souches animales et humaines font l'objet de nombreuses recherches depuis les années 1990, avec l'espoir de régénérer des tissus, voire d'en créer de toutes pièces, et idéalement de reconstruire des organes (thérapie cellulaire) de la même façon que les opozones11, inventées par Auguste Lumière. Ces avantages potentiels ont suscité des expérimentations de clonage thérapeutique pour en maîtriser la fabrication en grand nombre.
Le premier médicament fabriqué à base de cellules souches est approuvé en mai 2012 par les autorités canadiennes. Il s'agit du Prochymal, une préparation obtenue à partir de cellules souches adultes
mésenchymateuses12.

1. Notes et références[modifier | modifier le code]        1    ↑ (en) Takahashi et al., « Induction of Pluripotent Stem Cells from Adult Human Fibroblasts by Defined Factors », Cell, vol. 131, no 5,‎ 2007, p. 861-872. (DOI 10.1016/j.cell.2007.11.019).
2. ↑ (en) Shinya Yamanaka, « Generation of induced pluripotent stem cells without Myc from mouse and human fibroblasts », Nature Biotechnology, Nature Publishing Group, vol. 26, no 1,‎ 1er janvier 2008, p. 101–106 (ISSN 1546-1696, DOI 10.1038/nbt1374, lire en ligne [archive], consulté le 31 août 2020).
3. ↑ Purves 2018, p. 501.
4. ↑ (en) Nature, 1981, Vol. 292:154-6, Evans and Kaufman, Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos [archive]
5. ↑ (en) Proc Natl Acad Sci U S A. 1981, 78:7634-8., Martin GR, Isolation of a pluripotent cell line from early mouse embryos cultured in medium conditioned by teratocarcinoma stem cells [archive]
6. ↑ (en) Thomson JA et al. Science 1998, 282:1145-7 Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. [archive]
7. ↑ (en) Nat Biotechnol. 2000, 18:399-404, Reubinoff BE et al. Embryonic stem cell lines from human blastocysts: somatic differentiation in vitro. [archive]
8. ↑ Cellules souches : elles repoussent les limites de la vie !, Science et Vie, n°1070, novembre 2006, page 57.
9. ↑ Avec la collaboration de Mathilde Girard, Les cellules pluripotentes induites (IPS) [archive], www.inserm.fr, consulté le 7 février 2014.
10. ↑ Reprogrammation: Comment changer n'importe quelle cellule du corps en une cellule souche pluripotente [archive], www.eurostemcell.org, 5 Oct 2010.
11. ↑ Auguste Lumière, Mes travaux et mes jours, autobiographie, Éd. La Colombe, Lyon, 1953, p. 129.
    12    ↑ (en) Andrew Pollack, A Stem-Cell-Based Drug Gets Approval in Canada [archive], The New York Times

    Voir aussi
* Sur les autres projets Wikimedia :        •    cellule souche, sur le Wiktionnaire
*
* Cellule souche, sur Wikinews    Bibliographie        •    Max de Ceccatty, Conversations cellulaires, éd. du Seuil, Paris, 1991 (épuisé, mais disponible dans les bibliothèques ; ne parle pas des cellules souches en elles-mêmes, mais détaille les processus de communication qui les rendent utiles)
*
* Dale Purves, George J. Augustine, David Fitzpatrick, William C. Hall, Anthony-Samuel LaMantia, James O. McNamara et S. Mark Williams, Neurosciences, Bruxelles, De Boeck Université, coll. « Neurosciences & Cognition », 2018, 6e éd., 811 p. (ISBN 978-2-8073-1492-4, lire en ligne [archive]).

 DOCUMENT      wikipédia    LIEN    

 

CHATS

Journée internationale du chat noir : la couleur des chats génétiquement expliquée

Par Morgane Kergoat le 14.02.2015 à 19h00, mis à jour le 17.08.2018 à 16h01

Noir mais aussi roux, tigré, tricolore, écaille de tortue... la palette de couleurs possibles pour une robe de chat a pour origine une douzaine de gènes. Voici les principaux.

© GERARD LACZ / REX FEATU/REX/SIPA
A l'occasion de la Journée internationale du chat noir, interrogeons-nous un instant sur la couleur de la robe de ces félins et sur la douzaine de gènes qui la caractérise. Chacun de ces gènes a une incidence sur la pigmentation du poil de l'animal. Et plusieurs d'entre eux peuvent se combiner ensemble. Voici les principaux. Le premier est le gène A (gène agouti). Il est responsable du "tiquetage" : s'il est activé, le pelage du chat présentera des tigrures, s'il ne l'est pas, son poil sera uni. De fait, lorsque le gène A s'exprime, le pigment du poil, la mélanine, est sécrété de façon discontinue : le poil comporte alors des zones plus sombres que d'autres, ce qui est à l'origine des bandes foncées (beaucoup de mélanine) et d'autres plus claires (peu de mélanine).

La malédiction du chat noir
Le second gène, le gène B (pour Black), est responsable des robes noire, chocolat et cannelle. Il existe en effet sous trois "versions", appelées allèles, qui correspondent à trois types de coloration du poil. La première, l'allèle B, implique la formation de grosses sphères remplies de mélanine. Le poil est donc quasiment entièrement recouvert de pigment : le chat est noir. La deuxième version, l'allèle b, induit la formation de "poches" de mélanine plus petites et ovales. La coloration brune est moins importante : le chat est chocolat. Enfin, dans la troisième version, l'allèle b1, le poil ne comporte que de très petits granules de pigment. Il apparaît donc quasiment de sa couleur "naturelle", celle de la kératine, une protéine très rigide qui constitue le poil, mais aussi les griffes. Chaque chat dispose de deux allèles pour le gène B. L'allèle B étant dominant, tout individu qui en possède au moins un sera obligatoirement noir. Ce qui explique le grand nombre de chats noirs.

Des femelles rousses et brunes à la fois
Le troisième gène, le gène O, est à l'origine des robes rousses. S'il est activé, la mélanine ne se présente plus sous sa forme habituelle, un pigment brun appelé eumélanine, mais sous sa deuxième forme : la phéomélanine, un pigment roux orangé. Or, le gène O se trouve sur le chromosome sexuel X. Ainsi, un chat mâle (dont les chromosomes sexuels sont X et Y) sera roux si son chromosome X comporte la version activée du gène O. Tandis qu'une femelle (XX) pourra être entièrement rousse si ses deux chromosomes X comportent chacun le gène O activé, ou bien elle pourra être rousse et brune à la fois (on appelle cette robe "écaille de tortue" ou "torty") si l'un de ses chromosomes X comporte le gène O activé et l'autre non.

Couleurs pastel
Comme chez les chevaux, les chats peuvent également avoir des gènes qui, lorsqu'ils s'expriment, "diluent" la couleur de base de leur robe. Le noir ''dilué'' donne le gris, le brun chocolat donne le "bleu" (le gris des Chartreux) ou le ''lavande'', le cannelle donne le ''faon'' ou ''fawn'', le roux donne le ''crême''... Pour être exprimé, ce gène de dilution (D) doit comporter sa version activée, l'allèle d, en double exemplaire. Outre le gène D, un autre gène peut être à l'origine d'une certaine blondeur. Il s'agit du gène C, dit de coloration du corps. Ce gène influe sur l'enzyme, la tyrosinase, qui fabrique la mélanine. Lorsque cette enzyme fonctionne bien, la mélanine est produite en grande quantité : le chat a une couleur soutenue et répartie de façon égale sur tout le corps. À l'inverse quand cette enzyme ne fonctionne absolument pas, l'animal est albinos (blanc aux yeux rouges). Mais il existe des degrés intermédiaires. La mélanine est produite en faible quantité : le chat est blond et ses yeux sont bleus. Par ailleurs, la tyrosinase peut être particulièrement sensible à la chaleur : elle ne produit alors de pigment que dans les parties du corps les plus froides (pieds, nez, yeux, queue). C'est la fameuse "color point" du chat siamois.

Dessins et marques blanches

Enfin, le gène S, pour "spot blanc", est responsable des marques blanches qui marbrent, parfois très élégamment, nos félins de compagnie. C'est le cas notamment du joli cœur dessiné sous le menton du chat de la photo ci-dessus. La position, l'abondance et la grosseur de ces plages blanches sont sous le contrôle de plusieurs gènes et varient d'un individu à l'autre. Certains chats n'ont qu'un ''spot blanc'', tandis que d'autres en ont tellement qu'ils sont presque entièrement blancs ! Heureusement, tous les goûts sont dans la nature et chacun est persuadé d'avoir le chat le plus beau du monde.

  DOCUMENT   sciences et avenir.fr    LIEN 

La revanche des bactériophages sur CRISPR-Cas9

mardi 31 juillet 2018

CRISPR-Cas9 - système immunitaire bactérien détourné pour l’édition de génomes - peut être inactivé par des protéines de bactériophages, les anti-CRISPR (Acrs). Une nouvelle famille d’Acrs (AcrIIA6) a été identifiée à partir de bactériophages résistants à CRISPR-Cas9 de Streptococcus thermophilus. Ces Acrs permettent aussi de réguler l’édition de gènes dans des cellules humaines. Les AcrIIA6 présentent un repliement 3D original et leur étude structure-fonction est essentielle pour comprendre leur mode d’action et développer des outils biotechnologiques. Ce travail est publié dans la revue Nature Communication.
Les bactéries sont dotées de nombreux systèmes de défense pour contrer les attaques constantes de virus, aussi appelés bactériophages. En l’occurrence, le système immunitaire CRISPR-Cas9 permet de constituer une mémoire des infections passées en intégrant dans le chromosome bactérien des fragments d’ADN viral, qui seront utilisés lors d’attaques ultérieures pour diriger Cas9 (dont la fonction est de dégrader l’ADN) spécifiquement contre le génome viral à détruire. Le système CRISPR-Cas9 a été détourné de sa fonction originelle pour mettre au point un puissant et prometteur outil biotechnologique d’édition de gènes.

Cette dégradation ciblée de l’ADN des bactériophages limite leur propagation. Il va sans dire que les bactériophages, qui sont les entités biologiques les plus abondantes de la planète, ont développé des systèmes de contre-attaque leur permettant de contourner les défenses bactériennes et de prospérer. Récemment, diverses protéines anti-CRISPR, ou Acrs, qui inactivent CRISPR-Cas9 ont été identifiées. Ces Acrs sont très diverses, largement répandues et ne ressemblent à aucune autre protéine connue.

Les mécanismes d’action des Acrs sont encore peu décrits. Comprendre leur fonctionnement au niveau moléculaire est essentiel pour approfondir notre connaissance des interactions entre les bactéries et leurs prédateurs, et pour permettre de mieux contrôler les techniques de modification de gènes. Dans ce contexte, une collaboration entre des laboratoires de recherche académiques et industriels a identifié une nouvelle famille d’Acrs, AcrIIA6, à partir de bactériophages résistants à l’immunité CRISPR-Cas9 de Streptococcus thermophilus. Les AcrIIA6 sont largement répandus chez les bactériophages streptococcaux (33% de ces phages possèdent une AcrIIA6) et présentent une étonnante diversité de séquence (48 allèles différents parmi 90 bactériophages). Ces AcrIIA6 inhibent l’activité de St1Cas9 dans le cadre de la réponse immunitaire bactérienne. Ils inactivent également le processus d’édition des génomes dans les cellules humaines.
La structure cristallographique d’une AcrIIA6 révèle un repliement tridimensionnel original et montre que ces protéines agissent sous forme de dimères. La caractérisation biochimique et structurale des interactions entre les AcrIIA6 et leur cible moléculaire est la prochaine étape dans le processus de décryptage du mode de fonctionnement de ces protéines.

Figure : Les protéines anti-CRISPR AcrIIA6 de bactériophages streptococcaux sont un moyen de défense contre l’immunité bactérienne CRISPR-Cas9.
© Adeline Goulet et Christian Cambillau
Références :
*         Widespread anti-CRISPR proteins in virulent bacteriophages inhibit a range of Cas9 proteins. 
Hynes AP, Rousseau GM, Agudelo D, Goulet A, Amigues B, Loehr J, Romero DA, Fremaux C, Horvath P, Doyon Y, Cambillau C, Moineau S.
Nat Commun. 2018 Jul 25;9(1):2919. doi: 10.1038/s41467-018-05092-w.
Contacts :
*         Adeline Goulet
Architecture et Fonction des Macromolécules Biologiques 
UMR7257 (CNRS / Aix-Marseille Université)
163 avenue de Luminy
13288 MARSEILLE Cedex09

    DOCUMENT         CNRS         LIEN  
 

L'ADN : DÉCHIFFRER POUR MIEUX COMPRENDRE LE VIVANT

L'émergence d'outils et de disciplines

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.

Reportage
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.


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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