La génomique fonctionnelle 17.4 La génomique est en train d'ouvrir ...

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La génomique fonctionnelle 17.4 La génomique est en train d'ouvrir ...

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• Publié par: anuloryk
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Extrait

Plaque contenant des fragments du

2. L’ADN est déposé sur une lame de microscope.

ame de microscope

1. Chaque puits de la plaque contient un seul fragment amplifié (1, 2, 3, 4….) du génome d’Arabidopsis

Comment les chercheurs peuvent-ils avoir accès aux séquences d’ADN, en dehors des banques de données électroniques? Les microalignements d’ADN (puces à ADN) (figure 17.10) sont

Les microalignements d’ADN

Le séquençage des génomes de l’homme et du riz constitue une réalisation technologique majeure. Le domaine nouveau de la bioinformatique tire profit de la technologie informatique de haut niveau pour analyser des données de plus en plus nombreu- ses sur les gènes, pour étudier les relations entre les génomes et pour trouver la fonction des gènes sur la base des séquences. Aujourd’hui, la génomique change de vitesse et redevient une science reposant sur des hypothèses; c’est la génomique fonc- tionnelle, qui étudie la fonction des gènes et de leurs produits. Les méthodes bioinformatiques se combinent à des technologies récentes pour analyser les gènes et leurs fonctions. Comme le

séquençage des génomes entiers, l’étude du fonctionnement de ces génomes demande la participation d’équipes importantes. Par exemple, un groupe international de chercheurs s’est formé dans le but d’attribuer, en 2010, une fonction à tous les 20000 à 25000 gènes d’ Arabidopsis2010). Une des première (Projet étapes consiste à déterminer quand et où ces gènes s’expriment. Toutes les étapes ultérieures auront besoin d’une autre techno- logie adéquate.

Microalignement d’ADN

Tube d’automate

ARNm spécifique de la fleur (échantillon 1)

Mélanger Hybrider

Transcriptase inverse Nucléotide fluorescent

ADN

1 2 3 4

Sonde 1

Sonde 2 Signal faible de la sonde 2 Signal identique pour les deux sondes Signal fort de la sonde 2

Signal faible de la sonde 1

Signal fort de la sonde 1

Sonde d’ADNc

Transcriptase inverse Autre nucléotide fluorescent

ARNm spécifique de la feuille (échantillon 2)

4. Les deux sondes sont mélangées et s’hybrident avec le microalignement. Les signaux fluorescents du microalignement sont analysés.

Sonde d’ADNc

 17.4 génomique est en train d’ouvrir une nouvelle fenêtre sur la vie La

1 3 2 4

La génomique fonctionnelle

3. On obtient des échantillons d’ARNm, par exemple de deux tissus différents. On prépare des sondes correspondant aux différents échantillons en utilisant un nucléotide fluorescent différent pour chacun

354 III Partie Génétiqueet biologie moléculaire

FIGURE 17.10 Les microalignements. On obtient les microalignements en plaçant l’ADN sur une lame de microscope à l’aide d’un robot. On peut alors tester le microalignement avec une sonde d’ARN provenant des tissus étudiés pour identifier l’ADN qui s’est exprimé. Le microalignement hybridé à des sondes est analysé et souvent présenté sous forme d’une image en couleurs arbitraires. Si un gène s’exprime fréquemment dans un échantillon, le signal fluorescent sera fort (rouge ou vert) à l’endroit du microalignement où se trouve le gène. Si un gène s’exprime rarement, le signal sera faible (rose ou vert pâle). Une couleur jaune indique une expression identique des gènes dans tous les échantillons.

FIGURE 17.11 Développement d’une plante transgénique. L’ADN contenant un gène de résistance à l’herbicide a été introduit chez le blé (Triticum aestivum). L’ADN contient aussi le gèneGUS, qui sert de marqueur. Le gèneGUSproduit une enzyme qui catalyse la transformation d’une solution limpide en un colorant bleu. (a) Tissu embryonnaire immédiatement avant l’insertion de l’ADN étranger. (b) après le transfert, les cellules du cal contenant l’ADN étranger se reconnaissent à la couleur produite par le gèneGUS(taches (a) bleues). (c) Formation de tiges feuillées sur des cals transgéniques cultivés sur un milieu sélectif. Ici, le gène de résistance à l’herbicide permet le développement des cellules résistantes sur le milieu sélectif contenant l’herbicide. (d) Croissance comparée, sur le milieu sélectif, de plantes transgéniques possédant le gène de résistance (à gauche) et d’une plante non transformée (à droite).

(c)

un moyen permettant à de nombreux chercheurs de disposer des séquences d’ADN pour étudier la fonction des gènes. Pour préparer un microalignement d’ADN, un robot dépose des frag- ments d’ADN sur une lame de microscope à des endroits indexés. On peut aussi remplacer les lames par des morceaux de silicone. Les chercheurs utilisent actuellement un feuillet portant 24 000 gènes d’Arabidopsispour identifier ceux qui s’expriment au cours du développement de certains tissus ou en réponse aux facteurs de l’environnement. On peut isoler l’ARN de ces tissus et s’en servir comme d’une sonde pour ces microalignements. Seules les séquences qui s’expriment dans les tissus seront présentes et s’hybrideront au microalignement (voir figure 17.10). Les microalignements sont également utilisés pour mettre en évidence des différences génétiques entre individus de la même espèce. Comme on l’a déjà signalé, chaque être humain possède son propre profil de SNP. Une énorme banque de données de SNP est en cours d’édification pour le génome humain. Environ 1,42 million de SNP sont répartis dans tout notre génome. En moyenne, c’est environ un SNP par 1200 paires de bases. Les SNP peuvent modifier la fonction des gènes ou servir de mar- queurs logés au sein des ADN répétitifs. Environ 85% de tous les exons humains sont à moins de 5 kilobases d’un SNP. Outre qu’ils sont présents presque partout, les SNP ont un taux de mutation très faible. Leurs applications médicales sont discutées au chapitre 20. Les SNP sont également utiles pour suivre les migrations et l’évolution des hommes.

La transgenèse

(b)

(d)

Comment savoir si deux gènes qui proviennent d’espèces différentes et possèdent la même séquence ont la même fonction ?Comment s’assurer qu’un gène identifié par un programme d’annotation fonctionne bien comme un gène dans l’organisme? On peut répondre à ces questions en fabri- quant des organismes transgéniques. La technologie destinée à la production d’organismes transgéniques a été présentée au chapitre 16 et elle est illustrée pour les plantes à la figure 17.11. Pour vérifier si un gène d’Arabidopsisl’homologue est d’un gène de riz, on peut l’insérer dans des cellules de riz, puis régénérer ensuite une plante de riz. On peut incorporer divers marqueurs dans le gène, de manière à pouvoir le mettre en évidence ou l’isoler dans une plante de riz. Dans certains cas, le transgène (gène étranger transféré) peut affecter un phénotype visible. La transgenèse n’est évidemment qu’un des nombreux moyens de répondre aux questions concernant la fonction des gènes.

La génomique nous a donné des millions de nouveaux gènes à étudier. La découverte de la fonction de ces gènes auparavant inconnus repose sur des technologies, comme les microalignements d’ADN, capables de cribler très rapidement des nombres importants de gènes.

Chapitre 17 Lesgénomes 355

La protéomique

Pour bien comprendre comment fonctionnent les gènes, nous devons caractériser les protéines qu’ils produisent. Cette infor- mation est essentielle pour la compréhension de la biologie, de la physiologie, du développement et de l’évolution de la cellule. Quelles sont les ressemblances entre les gènes mis en œuvre dans des plantes différentes pour créer des organismes biochimiquement et morphologiquement différents? Bien sou- vent, nous continuons à nous poser les mêmes questions que Mendel lui-même se posait, mais à un niveau d’organisation tout différent. Les protéines sont beaucoup plus difficiles à étudier que l’ADN en raison des modifications qui suivent la traduction et de la formation de complexes de protéines. Nous avons vu qu’un même gène peut coder beaucoup de protéines par épis- sage alternatif (voir figure 17.8). Alors qu’il est possible d’iso- ler tout l’ADN d’un génome à partir d’une seule cellule, une partie seulement duprotéomeles protéines codées par (toutes le génome) s’exprime dans une cellule ou un tissu. Un niveau supplémentaire de complexité doit être pris en compte dans la protéomique (l’étudedu protéome). Ce n’est pas parce qu’un gène est transcrit en ARN dans une cellule à un moment donné que le transcrit est nécessairement traduit aussitôt en protéine. Une étape intermédiaire dans la caractérisation du protéome est donc l’étude dutranscriptome, de tous les ARN présents dans une cellule ou un tissu à un moment donné. La distinction entre la biochimie classique des protéines et la protéomique repose principalement sur l’application de nouvelles méthodes d’identification et de caractérisation rapide d’un grand nombre de protéines. Comme pour la génomique, le défi est l’échelle envisagée. Dans l’idéal, le chercheur aimerait examiner une séquence nucléotidique et connaître le type de protéine fonctionnelle correspond au gène. On peut explorer les banques de données concernant la structure des protéines chez des organismes différents pour prédire la structure et la fonction de gènes dont on ne connaît que la séquence grâce aux program- mes génomiques. Nous commençons à mieux nous représenter les relations entre la séquence du gène d’une part et la forme et la fonction de la protéine. Disposant de séquences d’ADN plus nombreuses, il est possible d’élargir les comparaisons et l’identi- fication des modèles structuraux communs grâce à l’émergence de groupes de protéines. Il peut exister jusqu’à un million de protéines différentes, mais la plupart ne sont heureusement que des modifications d’une poignée de thèmes. On retrouve les mêmes motifs structuraux – tonnelets, hélices, fermetures à glissières moléculaires – dans les protéines des plantes, des insectes et de l’homme (figure 17.12 ;voir aussi d’autres données sur les motifs protéiques au chapitre 3). On a estimé le nombre maximum de motifs diffé- rents à moins de 5000. Environ 1000 de ces motifs ont déjà été catalogués. Les recherches financées tant par des fonds publics que privés sont actuellement en cours pour préciser la forme de tous les motifs communs. Des microalignements de protéines, comparables aux microa- lignements d’ADN, sont utilisés pour analyser simultanément un grand nombre de protéines. La fabrication d’un microali- gnement de protéines débute par l’isolement du transcriptome d’une cellule ou d’un tissu. On construit ensuite les ADNc et

356 III Partieet biologie moléculaire Génétique

FIGURE 17.12 Schéma d’une enzyme obtenu par informatique. On peut retrouver la structure des protéines connues dans des banques de données, comme celle de l’aldose réductase humaine, représentée ici.

on les reproduit par clonage dans des bactéries ou des virus. La transcription et la traduction s’effectuent chez l’hôte pro- caryote et des quantités micromolaires de protéine sont isolées et purifiées. On place ensuite des échantillons ponctuels de ces protéines sur des lames en verre. On peut tester les microali- gnements de protéines au moins de trois façons différentes. On peut les cribler par des anticorps pour des protéines spécifiques. Les anticorps sont marqués de manière à pouvoir être mis en évidence et leur répartition sur la puce à protéines peut être déterminée par analyse informatique. On peut aussi cribler un microalignement de protéines par une autre protéine afin de mettre en évidence une liaison ou une autre interaction entre protéines. Il est possible de tester simultanément des milliers d’interactions. Par exemple, la calmoduline (qui intervient dans ++ l’activité de Ca; voir figure 7.9) a été marquée et utilisée pour tester un microalignement de protéome de levure avec 5800 protéines. Ce criblage a montré que 39 protéines s’unissent à la calmoduline. Sur ces 39, 33 étaient auparavant inconnues! Un troisième type de criblage utilise de petites molécules pour vérifier si elles s’unissent à certaines protéines du microaligne- ment. Cette méthode semble prometteuse pour la découverte de nouveaux médicaments inhibant les protéines intervenant dans la maladie.

La protéomique est un travail de longue haleine destiné à l’identification et à l’étude des protéines codées par le génome. Les banques de données basées sur le Web permettent aux chercheurs de comparer de nouvelles séquences d’ADN à des séquences connues et de prédire la structure de la protéine codée dans l’ADN. De nouvelles protéines sont identifiées par criblage des protéines.

Tableau 17.2Pathogènes prioritaires pour la recherche génomique Utilisation * de l’information a ogèneMaladie Génome génomique Variola majorVariole Complet Bacillus anthracisComplet Anthrax Plongée dans une mer de gènes Yersinia pestis PesteEn cours Clostridium botulinumEn cours Botulisme La révolution génomique a produit des millions de nouveaux gènes à étudier. Francisella tularensisComplet Tularémie La génomique représente un potentiel CompletFilovirus Ebolaet fièvre hémorrhagique énorme pour l’amélioration de la santé Marburg de de l’homme par le diagnostic médical Arénavirus Fièvrede Lassa et fièvreComplet et de l’alimentation par l’agriculture. La  hémorrhagiqued’Argentine mutation d’un gène isolé peut expliquer * Il existe de nombreuses souches de ces virus et bactéries. «Complet »signifie que l’une au moins certaines maladies héréditaires, mais a été séquencée. Par exemple, la souche Florida de l’anthrax fut la première à être séquencée. pas toutes. Avec des génomes entiers à traiter, la probabilité d’élucider les maladies de l’homme, des animaux et des plantes a progressé. Tandis que la protéomique permettra de trouver de nouveaux médicaments, on remarque déjà un impact direct de la géno- mique pour les diagnostics. L’amélioration de la technologie, comme la découverte des gènes, facilitent la diagnose des anomalies génétiques. Ces diagnostics sont aussi utilisés pour l’identification des individus. Par exemple, les SNP ont servi au diagnostic médico-légal pour l’identification des restes des victimes de l’attaque terroriste du World Trade Center à New York. On s’est particulièrement intéressé aux armes biologiques après les attentats du 11 septembre. Lors de l’apparition des pre- miers cas d’anthrax à l’automne 2001, le séquençage du génome a permis d’explorer les sources potentielles des bactéries mor- telles et de savoir si elles avaient été génétiquement modifiées pour augmenter leur létalité. Des efforts importants ont été faits FIGURE 17.13 en faveur de l’utilisation d’outils génomiques pour distinguer Rizière. La plus grande partie du riz cultivé dans le monde est les infections naturelles des épidémies provoquées. Les Centres directement consommée par l’homme et constitue l’alimentation de base de 2 milliards d’individus. pour le Contrôle et la Prévention des Maladies (CDC) ont donné la priorité aux bactéries et aux virus pouvant être la cible L’alimentation du monde du bioterrorisme (tableau 17.2). Grâce à leur petit génome, les procaryotes peuvent être séquencés rapidement et facilement Au niveau du globe, la nutrition est le principal problème de modifiés pour accroître encore leur virulence. L’intérêt pour les santé humaine. L’agitation soulevée par le projet du génome du pathogènes va au-delà du bioterrorisme. La propagation de virus riz repose en grande partie sur les possibilités d’amélioration de émergeants, comme le virus Ebola et celui du syndrome respi- la productivité et de la qualité nutritionnelle du riz et d’autres ratoire aigu (SARS) est un problème de plus en plus grave étant céréales au niveau du globe. La mise au point du riz doré décrite donné la fréquence accrue des interactions entre les humains au au chapitre 16 est un exemple prometteur d’une amélioration de niveau du globe. l’alimentation grâce aux techniques génétiques. Le riz fournit la L’évolution de l’homme et ses migrations est un sujet de moitié des calories à environ un tiers de la population mondiale vive controverse parmi les scientifiques. Les données fossiles, (figure 17.13). Dans certaines régions, les gens consomment les séquences d’ADN mitochondrial et maintenant les SNP, jusqu’à 1,5 kilo de riz par jour. On produit chaque année plus de commencent à clarifier une image assez floue. La répartition 500 millions de tonnes de riz, mais ce sera peut-être insuffisant mondiale des SNP indique actuellement que les populations dans l’avenir. On s’attend à ce que la population du monde passe eurasiennes sont différentes des populations africaines. Cepen- de 6 milliards aujourd’hui à 9 milliards dans les années 2070 dant, chez les Eurasiens, les spectres de SNP présents dans et diminue ensuite jusqu’à environ 8,4 milliards en 2100. La les régions non codantes de l’ADN paraissent indiquer une production d’une quantité de nourriture suffisante pour nourrir subdivision de la population africaine. Cela confirme un autre 9 milliards d’individus serait un défi majeur. La distribution résultat en faveur de l’origine africaine de l’humanité. Une des ressources alimentaires peut poser problème étant donné la mise en garde importante découle également des données des répartition inégale des bonnes terres cultivables dans le monde. SNP concernant les diagnostics médicaux basés sur les profils Une solution est la sélection de plantes cultivées mieux adaptées de SNP; il faut en effet tenir compte de l’origine géographique aux conditions locales moins favorisées au niveau des sols et du des individus. climat.

Chapitre 17génomes Les 357

En grande partie grâce à l’application des progrès scientifiques à l’amélioration des plantes et aux techniques agricoles, la pro- duction mondiale de nourriture a plus que doublé, alors que les surfaces cultivées n’augmentaient que de 9%. On cultive actuel- lement une surface correspondant à celle de l’Amérique du Sud mais, sans les progrès scientifiques des 40 dernières années, c’est tout l’hémisphère occidental qui devrait être cultivé pour nourrir le monde. L’utilisation de l’eau a malheureusement été multipliée par trois pendant la même période et des terres de qualité ont été perdues par l’érosion du sol. Beaucoup estiment que les program- mes traditionnels d’amélioration des plantes pourraient avoir atteint leur limite. Le problème est celui-ci: comment mieux nourrir des milliards d’individus supplémentaires sans, en même temps, détruire plus encore la planète ? Les scientifiques s’inquiè- tent aussi des conséquences du changement climatique global pour l’agriculture mondiale. L’augmentation de la production et de la qualité des plantes cultivées pour la consommation de l’homme et du bétail dépendra de nombreux facteurs, particuliè- rement dans les régions agricoles marginales. Le génie génétique basé sur les découvertes des projets génomiques peut cependant apporter une contribution importante à la solution.

La production de la plupart des plantes cultivées aux États- Unis n’atteint pas la moitié de leur potentiel génétique à cause des pressions environnementales (sel, eau et température), des herbivores et des pathogènes (figure 17.14). L’identification de gènes capables de les mettre à l’abri de ces pressions et parasites fait l’objet de nombreux projets actuels de recherche en génomi- que. Il est vraisemblable que des gènes multiples sont impliqués. L’accès aux séquences génomiques complètes augmentera les chances de pouvoir identifier les gènes critiques.

À qui appartiennent les génomes?

La génomique est également une source de défis et de dilemmes éthiques. le dépôt de brevets pour les gènes en est un exemple. En réalité, ce n’est pas le gène lui-même qui peut être breveté, mais son utilisation. Pour obtenir un brevet lié à un gène, il faut connaître son produit et sa fonction. Les consortiums génomi- ques publics, financés par des fonds fédéraux, se sont formés en croyant que les séquences génomiques seraient disponibles gratuitement pour tous et ne feraient pas l’objet de brevets. Les sociétés privées prennent des brevets sur les fonctions des gènes, mais mettent souvent les séquences à disposition moyennant certaines restrictions. En physique, les relations entre recher- che publique et privée ont été négociées depuis des décennies, mais, pour les biologistes, il s’agit d’un domaine relativement nouveau.

Un autre problème éthique concerne la vie privée. L’utilisation des données d’une séquence est un sujet de discussions longues et continues. La Déclaration Universelle sur le Génome Humain et les Droits de l’Homme stipule que «le génome humain met en évidence l’unité fondamentale de tous les membres de la famille humaine, ainsi que la reconnaissance de leur dignité et de leur diversité inhérentes. Symboliquement, c’est l’héritage de l’humanité. »Nous parlons «du »génome humain, mais nous possédons chacun un génome légèrement différent qui peut être utilisé pour notre identification. Nous pouvons déjà identifier des maladies génétiques comme la mucoviscidose et la maladie de Huntington, mais le nombre de caractères d’identification

358 III Partieet biologie moléculaire Génétique

FIGURE 17.14 La productivité du maïs est bien inférieure à son potentiel génétique à cause du stress hydrique. La production du maïs peut être limitée par des carences en eau en raison de la sécheresse au cours de la période de croissance dans les climats secs. Les changements climatiques au niveau du globe peuvent accroître le stress hydrique dans des régions où le maïs est la principale plante cultivée. On n’a pas encore séquencé le génome du maïs. Comment peut-on utiliser les informations tirées de la séquence génomique du riz pour tenter d’améliorer la tolérance à la sécheresse du maïs?

augmente beaucoup grâce à la génomique. La génomique du comportement est également un domaine riche en possibilités et problèmes. Très peu de traits du comportement peuvent être attribués à des gènes isolés. On a associé deux gènes au retard mental lié au chromosome X fragile et trois autres à l’apparition précoce de la maladie d’Alzheimer. Les comparaisons impliquant de nombreux génomes permettront probablement d’identifier des gènes multiples contrôlant une série de comportements. Pouvons-nous admettre cette nouvelle orientation? Qu’adviendra-t-il si les employeurs ou les compagnies d’assu- rance ont accès à notre profil SNP? Peut-on nous juger en rai- son d’une tendance à une addiction chimique ou à une maladie cardiaque ?D’un point de vue plus positif, les forces armées des États-Unis demandent à leurs membres des échantillons d’ADN pour permettre leur identification en cas d’accident, et l’identi- fication basée sur l’ADN a apaisé certaines familles des victimes du World Trade Center. En Islande, le parlement a voté une loi permettant à une compagnie privée de créer une banque rassemblant les données médicales, génétiques et généalogiques de tous les Islandais, population particulièrement intéressante d’un point de vue génétique. En raison des migrations et immigrations limitées qui s’y sont produites au cours des 800 dernières années, cette banque de données islandaise peut être une source d’information phénoménale. Finalement, la valeur de cette information doit être mise en balance avec toute discrimination ou stigmatisation possible des individus ou des groupes.

La génomique offre des avantages extraordinaires pour la santé humaine, mais elle soulève aussi de nouvelles questions concernant, entre autres, la vie privée.