chromosome

Structure en forme de bâtonnet du noyau cellulaire, constituant le support physique de l'hérédité.
Les chromosomes, qui apparaissent dans le noyau de la cellule au moment de la division (mitose ou méiose), résultent de la condensation de la chromatine (réseau diffus d’ADN et de protéines). La structure de ces bâtonnets, qui constituent le support des caractères héréditaires, est aujourd'hui l'objet de recherches considérables à l'échelle mondiale.

1. La découverte des chromosomes
Entre les années 1870 et 1880, les cytologistes donnent le nom de chromatine au réseau filamenteux colorable qu'ils observent dans le noyau, puis celui de mitose au mécanisme de division cellulaire, car il est caractérisé par l'apparition de filaments (en grec, mitos). En 1888, ces filaments reçoivent le nom de chromosomes, en raison de leur aptitude à se colorer fortement en présence de colorants basiques (du grec khrôma, couleur, et sôma, corps). Chromatine et chromosomes ne sont que deux aspects différents d'une même entité.
Au début du xxe s., le parallélisme est fait entre le comportement des chromosomes au cours des divisions menant à la formation des gamètes (méiose) et les règles de transmission des caractères héréditaires, définies par Gregor Mendel quarante ans plus tôt (les travaux de ce moine scientifique avaient été publiés en 1866, puis oubliés).
De cette constatation naît la théorie chromosomique de l'hérédité (les chromosomes sont les supports physiques de l’information héréditaire). C’est l'Américain Thomas Hunt Morgan qui, en 1920, consacre l'union entre génétique et cytologie : ses travaux sur les chromosomes et le patrimoine génétique de la drosophile (mouche du vinaigre) ont permis l'établissement des représentations de l’ensemble des chromosomes d’une cellule, ou caryotypes, sur lesquelles les chromosomes sont rangés par paires. Les gènes, terme introduit par Wilhelm Johannsen en 1909 pour qualifier les éléments transmetteurs de l'hérédité, occupent une position fixe sur les chromosomes. Depuis, la composition chimique des chromosomes et la structure en double hélice de l'ADN ont été définies, mais ce n'est qu'à partir de 1974 que l'agencement des différentes molécules les unes par rapport aux autres a été établi.

2. La morphologie des chromosomes
L'examen des cellules animales et végétales en division montre que chaque chromosome a une taille et une forme propres ; à de rares exceptions près, leur nombre est pair. L'observation est effectuée sur des cellules dont la division a été bloquée, à l'aide de colchicine (alcaloïde extrait du colchique), au stade de la métaphase (deuxième des quatre stades que comporte le processus de division cellulaire). À ce moment, les chromosomes sont séparés dans le sens longitudinal en deux chromatides, ou chromosomes fils, réunis par un centromère (constriction primaire).
Dans toutes les cellules somatiques, ou non reproductrices, chaque type de chromosome existe en deux exemplaires : ils sont dits homologues. En définissant par n le nombre de chromosomes différents, les généticiens ont qualifié de diploïdes ces cellules qui possèdent 2n chromosomes. En revanche, les cellules reproductrices, ou gamètes, qui ne contiennent que n chromosomes sont haploïdes.

3. Le nombre de chromosomes
Au moment de la fécondation, la fusion des deux gamètes (spermatozoïde et ovule) rétablit le nombre de chromosomes (n + n = 2n) dans la cellule œuf ou zygote. Le nombre de paires de chromosomes dans les cellules humaines, 23 au total (2n = 46), a été établi en 1956 par Joe Hin Tijo et Albert Levan. Il est important de remarquer que le nombre chromosomique d'une espèce n'a aucun rapport avec son degré d'évolution, ni même avec sa taille, puisque l'amibe possède plusieurs centaines de chromosomes.
L'utilisation expérimentale de substances comme la colchicine permet de provoquer des anomalies numéraires en déréglant le processus de la mitose. Les espèces créées possèdent un caryotype dont les chromosomes sont en quadruple exemplaire (cellules tétraploïdes, à 4n), voire plus. De nombreuses plantes cultivées (blé, rose, tabac, dahlia, etc.), qui ont fait l'objet de telles manipulations génétiques, sont caractérisées par des fleurs, des graines et une taille générale supérieures à la normale.

3.1. Les chromosomes sexuels

Chez l’espèce humaine, ce sont ceux de la vingt-troisième paire sur un caryotype. Chez la femme, cette paire est composée de deux chromosomes identiques, nommés X. Chez l'homme, elle est composée de deux chromosomes de taille différente : l'un, ressemblant à ceux de la femme, est un chromosome X ; l'autre, plus court, est le chromosome Y. Appelés aussi hétérochromosomes, les chromosomes sexuels déterminent le sexe de l'individu, par opposition aux 22 autres paires, les autosomes, qui définissent les caractères physiques et psychologiques de l'individu. Chez d'autres espèces, telle la mouche, la femelle est XY, alors que le mâle est XX.
D'autre part, les cellules d'une femme sont caractérisées, entre deux divisions, par la présence dans le noyau d'un grain de chromatine, correspondant à l'un de ses chromosomes sexuels. Ce grain, aussi appelé chromatine sexuelle ou corpuscule de Barr, sert à diagnostiquer le sexe vrai ou des anomalies sexuelles.

4. Des chromosomes particuliers
4.1. Le « chromosome » bactérien
Globalement, le matériel génétique d'une bactérie est comparable à celui des eucaryotes. Il est également constitué d'ADN et de protéines qui, sans être rigoureusement identiques, conservent les mêmes fonctions. Le génome principal d’une bactérie est représenté par une molécule d’ADN de forme circulaire qui, par analogie avec la structure du génome des eucaryotes, est souvent appelée « chromosome bactérien », bien qu’il ne s’agisse pas d’un chromosome à proprement parler.
Nombre de bactéries ne possèdent qu'un seul « chromosome », mais il n'est pas rare d'en observer plusieurs, surtout avant la période de division. La souche de laboratoire d’Escherichia coli, un bacille particulièrement étudié dans les domaines de la génétique et de la biologie moléculaire, possède un chromosome de 1,3 mm de circonférence, contenant environ 4,7 millions de paires de bases. Son génome a été entièrement séquencé (1997). En 1997, une équipe internationale de plusieurs dizaines de chercheurs a publié la séquence complète des 4 214 810 paires de bases constituant le génome de la bactérie Bacillus subtilis, et déterminé ses 4 100 gènes codant pour des protéines. Depuis, de nombreuses autres bactéries (Helicobacter pylori, Haemophilus influenzae, Saccharomyces cerevisiae, Mycoplasma pneumoniae, etc.) et archaebactéries (Archaeoglobus fulgidus, Methanococcus thermoautotrophicum, Aquifex aeolicus, etc.) ont déjà vu ainsi leur génome entièrement séquencé (il est d'ailleurs remarquable que ces données soient librement accessibles sur Internet).
Les bactéries possèdent également, en nombre variable, d'autres fragments de génome de taille beaucoup plus réduite, représentant un centième du chromosome principal. Ces fragments, circulaires eux aussi, sont appelés plasmides et se répliquent de façon indépendante. L'un d'entre eux, le facteur F, confère le caractère mâle à la bactérie porteuse. Il permet la conjugaison et le transfert de matériel génétique d'une bactérie à l'autre, tout particulièrement lorsqu'il s'intègre au chromosome principal. En général, les plasmides ne portent pas d'information génétique essentielle au métabolisme de la bactérie. C'est toutefois dans ces fragments d'ADN que sont contenus les gènes conférant la résistance aux antibiotiques.

4.2. Les chromosomes géants
Chez certaines espèces, on peut observer des chromosomes de très grande taille, environ près de cent fois celle d'un chromosome de dimension moyenne. Ces chromosomes géants, ou polyténiques, ont été trouvés chez des protozoaires ciliés et dans les cellules du tube digestif ou de glandes annexes de diptères (mouches), comme la drosophile. Ils sont constitués par l'association des deux chromosomes homologues, eux-mêmes formés d'un millier de nucléofilaments, accolés les uns aux autres après la réplication. Une alternance de bandes sombres et claires est particulièrement visible sur cette structure ; elle correspond aux différences de condensation du nucléofilament. Toutes ces spécificités ont fait des chromosomes géants un objet privilégié pour les études génétiques, et notamment pour la cartographie des gènes chez la drosophile.

5. Le caryotype

Le caryotype est l’ensemble des chromosomes d’une cellule ou d’un individu, et spécifique de l’espèce à laquelle il appartient (le nombre de chromosomes d’une espèce est constant).
5.1. Établissement du caryotype
Chez l'homme, le caryotype est réalisé à partir de cellules sanguines, les globules blancs, qui se divisent assez facilement en culture. Après un prélèvement de sang par ponction veineuse, les cellules sont déposées sur un milieu de culture contenant des éléments nutritifs, des antibiotiques (pour éviter leur contamination et leur destruction par des bactéries) et des substances activant la mitose.
Trois jours plus tard, les mitoses sont bloquées à l'aide de colchicine, qui empêche la mise en place du fuseau. Les cellules, soumises à un choc hypotonique qui les fait éclater, sont ensuite fixées par des mélanges à base d'alcool, de chloroforme et d'acide acétique. Enfin, les chromosomes sont colorés, photographiés, identifiés grâce aux clichés, puis classés.

5.2. La formule chromosomique
Le chromosome Y est certainement le chromosome humain le plus variable du patrimoine génétique de l'homme. Sa longueur varie selon les populations : par exemple, il est souvent plus grand chez les Asiatiques que chez les Européens. Certains chromosomes possèdent des constrictions secondaires, sortes d'allongements supplémentaires ; le chromosome 9, à l'état normal, en possède une sur son bras long, mais, chez certains individus, elle se situe sur le bras court de ce chromosome. La constriction des chromosomes 1 et 16 peut être de longueur variable.
De telles variations sont également visibles chez les animaux, comme les rongeurs, qui montrent de nombreux exemples de variations intraspécifiques de la formule chromosomique. Certains individus possèdent même un nombre de chromosomes inférieur ou supérieur à la normale. Des différences existent chez des espèces extrêmement proches les unes des autres, tant sur le plan de la physiologie que sur celui de l'anatomie, et pour lesquelles aucune différence chromosomique majeure ne pourrait être attendue. La stabilité du caryotype n'est donc que relative, et cela quelle que soit la position de l'être vivant dans la classification zoologique. Toutefois ces altérations sont peu fréquentes dans une population donnée.
Pour de nombreux auteurs, ces variations de la formule chromosomique peuvent être dans certains cas, au même titre que les mutations ponctuelles des gènes, un élément d'évolution d'une espèce – tout au moins lorsque ce changement est susceptible d'induire des changements de phénotype et lorsque ceux-ci restent compatibles avec la survie de l'individu.

5.3. Les aberrations chromosomiques

Il arrive que les altérations du stock chromosomique soient profondes et entraînent de graves problèmes de santé pour l'individu qui les porte. Ces anomalies chromosomiques sont soit de type numérique, soit de type structural, et peuvent affecter tous les chromosomes.
Les anomalies de type numérique sont principalement dues à une mauvaise séparation des chromosomes appariés au cours de la mitose ou de la méiose. Lorsque le caryotype comprend un multiple exact du nombre haploïde (3n ou 4n, par exemple), la cellule ou l'organisme sont dits polyploïdes. Si le nombre n'est pas un multiple exact, on parle d'aneuploïdie. La trisomie 21 (ou syndrome de Down) est un exemple d'aberration de ce type : elle est caractérisée par la présence d'un chromosome surnuméraire dans la paire 21. La principale cause de l'aneuploïdie est une distribution inégale du stock chromosomique lors de la formation des cellules sexuelles.
Les aberrations de la structure chromosomique résultent d'une cassure d'un chromosome suivie d'une reconstruction anormale. Elles peuvent apparaître à la suite de divers mécanismes. La délétion (perte pure et simple d'un fragment du chromosome) peut concerner sa partie terminale ou une portion comprise entre deux points de rupture. La duplication aboutit à l'intégration d'un fragment supplémentaire de chromosome tout en créant une délétion dans un autre chromosome. Dans d'autres cas, si la cassure d'un chromosome est mal réparée, le fragment peut être « ressoudé » à l'envers (inversion) ou intégré en un tout autre site (translocation).
Voir aussi les articles : aberration chromosomique, délétion.

6. La structure des chromosomes
Les chromosomes et la chromatine sont constitués de protéines et d'acides nucléiques (ADN). L'ARN n'intervient pas dans la structure même, car l'information portée par la molécule d'ADN est transcrite sous forme d'ARN qui, après être passé du noyau vers le cytoplasme, est traduit en protéine.
6.1. L'ADN chromosomique

La quantité d'ADN contenue dans une cellule est constante pour une espèce vivante donnée, exception faite des cellules reproductrices dont le stock est divisé par 2. Cette quantité a été estimée à 0,4 pg chez la mouche et à 5,86 pg chez le chien, par exemple. Pour l'homme, les estimations ont donné 7,3 pg pour une longueur totale de 2,36 m. Si l'on veut avoir une idée plus réelle des proportions de la molécule d'ADN, il suffit de multiplier ses dimensions un million de fois. Dans ce cas, les 46 brins d'ADN complètement déroulés des chromosomes humains mis bout à bout formeraient un fil de 2 mm de diamètre pour une longueur de plus de 2 000 km !
La molécule d'ADN est formée d'un double enchaînement ordonné de nucléotides complémentaires (fibre bicaténaire, ou duplex) de 2 nm de diamètre. Cet arrangement définit sa structure primaire globalement linéaire; mais par les propriétés physicochimiques de ses composants, l'ADN adopte une configuration en double hélice qui correspond à sa structure secondaire. Selon les cas, on compte entre 9 et 11 bases par tour d'hélice. Cette molécule bicaténaire est relativement rigide le long de son axe et subit, par conséquent, de nombreuses contraintes dans l'architecture des chromosomes. Chez l'homme, un chromosome peut mesurer une dizaine de micromètres de long pour 0,5 mm de diamètre : l'ADN est donc fortement compacté au sein d'une structure qui inclut aussi de nombreuses protéines.
6.2. Les protéines chromosomiques

Elles appartiennent à deux groupes, celui des histones, très homogène, et celui des non-histones, qui comportent plusieurs centaines de types différents.
Par leur richesse en acides aminés, telles la lysine et l'arginine, qui à eux seuls peuvent constituer près de 25 % de la chaîne polypeptidique, les histones sont des protéines basiques. Elles ont une forte affinité entre elles, mais aussi avec les acides nucléiques comme l'ADN et avec les protéines non histones. Si l'on considère leur structure primaire, ou séquence d'acides aminés, on constate une remarquable constance, même pour des espèces d'eucaryotes fort éloignées. Ce qui laisse à penser que le rôle de ces protéines est identique pour toutes les espèces et que la moindre anomalie de séquence doit être mortelle pour l'organisme. Les protéines histones sont réparties en cinq types majeurs : H1, H2A, H2B, H3 et H4.
Les protéines non histones forment un groupe très hétérogène du fait de la diversité des rôles qu'elles assurent. Certaines d'entre elles interviennent, tout comme les histones, dans l'architecture du chromosome. La myosine et l'actine, par exemple, qui sont également les protéines contractiles fondamentales du muscle, pourraient entrer en action lors de la condensation et la décondensation des chromosomes. On trouve par ailleurs des protéines, dont le rôle est d'assurer la réplication et la réparation des brins d'ADN, et toutes les enzymes, substances protéiniques, nécessaires à la transcription des gènes en ARN.
6.3. La structure de base des chromosomes

Quel que soit l'aspect qu'il présente, la structure de base du chromosome est la fibre nucléosomique. Révélée à la fin des années 1950 par des diagrammes de diffraction des rayons X, cette structure ressemble à un chapelet de perles dont le fil connecteur serait l'ADN et les perles des groupements d'histones. C'est Arthur Kornberg qui en 1974, sur la base de clichés réalisés en microscopie électronique, proposa un modèle pour décrire cet arrangement. Le nucléosome, unité de base, serait constitué par un assemblage protéique contenant 8 histones, identiques deux à deux (2 × H2A, 2 × H2B, 2 × H3, 2 × H4). Le filament d'ADN s'enroulerait autour de cette structure en faisant deux tours de spire à la manière d'un fil s'enroulant sur un court cylindre (110 Å de diamètre sur 57 Å de hauteur) ; la continuité du filament d'ADN assure également le lien entre les différents nucléosomes.
L'organisation du nucléofilament dans la chromatine est encore plus complexe. Des filaments environ trois fois plus épais que la fibre nucléosomique (soit d'un diamètre de près de 30 nm) seraient le résultat de la condensation de la fibre nucléosomique. Deux modèles ont été proposés pour en décrire l'organisation : en solénoïde et en superboules. Dans le premier, la fibre nucléosomique s'enroulerait en une spirale dont chaque tour serait formé de 6 nucléosomes. Dans le second, la fibre chromosomique serait formée par la juxtaposition de boules contenant 12 nucléosomes. La stabilité de ces deux structures serait assurée par les protéines histones de type H1.
Un des stades privilégiés de la division cellulaire pour étudier les chromosomes est la métaphase. En effet, à ce moment, ils sont complètement individualisés en chromatides, et la condensation, amorcée au début de la phase de division, est maintenant terminée. Les chromatides formées correspondent à un degré d'organisation supplémentaire de la fibre chromosomique décrite précédemment.
Dans cette organisation, les protéines non histones jouent un rôle très important. On a pu isoler et purifier une trentaine d'entre elles, ce qui ne représente qu'un millième de la quantité d'histones constituant le chromosome. Ces protéines forment le squelette longiligne qui donne sa forme générale à la chromatide ; la fibre chromosomique, qui s'enroulerait autour de cet axe, formerait au préalable des sortes de petites pelotes, les microconvules, de 52 nm de diamètre, contenant l'ADN. Ce nouveau chapelet se disposerait alors autour de l'axe de protéines non histones. Une estimation avance que le chromosome humain le plus grand pourrait être composé de plus de 4 000 de ces microconvules.

7. La duplication des chromosomes
Toute division cellulaire (mitose, première division de la méiose) est précédée d'une duplication de l'information génétique, afin que celle-ci puisse être transmise dans son intégralité aux cellules filles. Cette duplication est assurée par la réplication de l'ADN, qui aboutit à la formation de deux longues molécules linéaires en tous points semblables. Elle s'effectue selon un modèle semi-conservatif, dans lequel chaque brin de la double hélice engendre un brin complémentaire puis s'y associe. La réplication est un phénomène biochimique très complexe nécessitant la participation de nombreuses enzymes dont le rôle est de dérouler le filament d'ADN, de séparer les deux brins, de synthétiser les brins complémentaires et, enfin, de reconstituer la structure native des brins fils.
→ ADN.

8. La parenté chromosomique de l'homme
Les scientifiques ont généralement recours à la morphologie, à l'anatomie et à la physiologie pour déterminer les liens évolutifs entre différentes espèces. Mais ces liens peuvent être établis par l'analyse de la formule chromosomique. Depuis Darwin, les biologistes ont admis que l'homme et les grands singes (chimpanzé, gorille, orang-outan…) ont une parenté commune ; elle a été confirmée par l'étude de leur formule chromosomique.
L'homme a 23 paires de chromosomes, contre 24 chez les grands singes. Une analyse plus fine a montré que 13 des paires humaines sont rigoureusement identiques à celles du chimpanzé et que les paires restantes ne se distinguent que par de subtils remaniements. Quant au chromosome 2 de l'homme, il correspond tout simplement à la fusion de deux chromosomes du chimpanzé.
Les scientifiques se demandent à présent pourquoi des différences aussi minimes peuvent se traduire par des divergences morphologiques et comportementales aussi importantes.

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gène

Les gènes sont des segments de molécules d'ADN. Ils peuvent être groupés en unités fonctionnelles (opérons). On trouve des gènes chez tous les êtres vivants. Chez les virus dont le matériel génétique est constitué d’ARN et non d’ADN, ce sont des segments de molécules d'ARN. Chez les eucaryotes, les gènes sont essentiellement portés par les chromosomes contenus dans le noyau cellulaire, mais il en existe aussi dans les mitochondries et, chez les végétaux, dans les chloroplastes (ces gènes sont portés par les ADN respectivement mitochondrial et chloroplastique).
1. Le génotype détermine le phénotype

Les gènes sont situés à des endroits bien spécifiques des chromosomes, que l'on appelle locus. Cette localisation est toujours identique d'une génération à la suivante. L'être humain possède environ 25 000 gènes différents, répartis sur les 23 paires de chromosomes, l'ensemble des gènes d'un individu constituant son génotype. L'ensemble du matériel génétique, c'est-à-dire toutes les molécules d'ADN d'une cellule, est appelé génome. Les chromosomes allant par paires, chaque cellule possède chaque gène en double. Seuls les gènes portés par les chromosomes X et Y chez l'individu de sexe masculin sont uniques.
Les gènes gouvernent la synthèse d'ARN de plusieurs types, et par là de protéines, qui sont directement ou indirectement responsables de tous les caractères, visibles ou invisibles, de l'organisme (le phénotype). Les gènes subissent spontanément des transformations, les mutations, qui peuvent aussi être induites par des rayonnements (rayons X, rayons ultraviolets) ou des substances chimiques et entraînent la modification du caractère déterminé par le gène. (Ne sont connus, d'ailleurs, que les gènes qui ont muté.)
→ génétique.
2. Les formes alléliques d'un gène

Les différentes versions d'un gène (le gène « couleur des yeux », par exemple) sont appelées allèles (yeux bleus, yeux bruns, yeux verts, etc.). Lorsque l'allèle est le même sur les deux chromosomes, le sujet est dit homozygote. Si les deux allèles sont différents, il est dit hétérozygote. Lorsque chaque allèle a subi une mutation différente, le sujet est dit double hétérozygote, ou hétérozygote composite.
Une maladie héréditaire qui se manifeste seulement si les deux allèles du gène en cause sont mutés est dite à transmission récessive. Si, au contraire, un seul allèle muté suffit pour que la maladie se manifeste, elle est dite à transmission dominante.
3. La transcription des gènes

image: http://www.larousse.fr/encyclopedie/data/images/1001372-ADN.jpg
A.D.N.A.D.N.
La transcription correspond à la synthèse d’une molécule d’ARN à partir d’un modèle ADN. L'ADN est formé d'une suite linéaire de millions de nucléotides formés chacun de l'enchaînement d'un groupement phosphate et d'un sucre, le désoxyribose, portant une base pouvant être une adénine, une cytosine, une guanine ou une thymine (A, C, G ou T) ; l'information réside dans la suite des bases (la séquence nucléotidique). L'ADN comporte en réalité deux brins complémentaires de directions opposées enroulés l'un autour de l'autre (structure en double hélice élucidée par Watson et Crick en 1953). On peut la décrire comme un escalier en colimaçon, où les deux chaînes sucres-phosphates constituent les rampes, et les bases, tournées vers l'intérieur et se faisant face deux à deux, les marches. La complémentarité s'exprime par le fait qu'une adénine s'apparie toujours avec une thymine, et une guanine toujours avec une cytosine (on ne trouve donc que des « marches » A-T, T-A, C-G ou G-C). Elle constitue le fondement, non seulement de la perpétuation de l'information génétique (lors de la réplication), mais aussi de la transcription : la double hélice est alors juste déroulée transitoirement pour permettre à l'ARN polymérase de synthétiser selon les règles de l'appariement un brin d'ARN messager complémentaire du brin non codant, qui sert de matrice sur toute la région codante du gène considéré. L'ARN messager possède la même séquence que le brin codant d'ADN de départ, mais comporte des riboses au lieu des désoxyriboses et l'uracile (U) à la place de la thymine.
La question est de savoir ce qui détermine le début et la fin de la transcription par la polymérase. Pour le démarrage, des séquences signal, présentes au niveau du promoteur (partie du gène située en amont de la région codante), servent à positionner la polymérase. Chez les bactéries, les promoteurs contiennent très souvent la séquence TTGACA à 35 paires de bases et la séquence TATAAT à 10 paires de bases en amont du point de départ. Chez les eucaryotes, dans la très grande majorité des cas, la polymérase est positionnée par la fixation de la protéine TBP (en anglais, TATA-binding protein) à un court segment du promoteur contenant aussi la séquence TATA (la « boîte TATA »), mais situé cette fois à 25 paires de bases en amont du point de départ. Au point de départ proprement dit se trouve un autre élément de signalisation, le site initiateur, mais dont la séquence est beaucoup moins conservée. Une fois initiée, la transcription continue par élongation de l'ARN messager jusqu'au terminateur, situé juste après la région codante, et qui contient un signal de fin d'élongation.
3.1. La régulation de la transcription

Cette tâche est dévolue aux régulateurs de transcription, que l'on peut classer en deux grands groupes : les répresseurs et les activateurs. Chacun contrôle toute une catégorie de gènes possédant dans la région régulatrice une même séquence de reconnaissance à laquelle il se lie spécifiquement. Chez les bactéries, la régulation est souvent fondée sur la répression : un répresseur est fixé sur son site de liaison, l'opérateur, situé à proximité du promoteur, gênant ainsi la fixation de la polymérase. La répression est levée par la présence d'un inducteur dans le milieu, qui agit en dissociant le répresseur de l'opérateur, permettant à la transcription de démarrer.
La situation est beaucoup plus complexe chez les eucaryotes, où le niveau de transcription d'un gène résulte de l'interaction globale de l'ensemble des activateurs et des répresseurs qui le contrôlent avec la machinerie transcriptionnelle. Les activateurs facilitent l'assemblage d'un complexe de préinitiation comprenant une dizaine d'entités multi-protéiques appelées « facteurs de transcription ». Les répresseurs empêchent l'ARN polymérase de démarrer la transcription, entre autres par compétition avec les facteurs de transcription ou les activateurs pour la liaison à l'ADN. La transcription de chaque gène est contrôlée spécifiquement, chacun étant régulé par une combinaison unique d'activateurs et de répresseurs.
De plus, chez les eucaryotes, l'ADN est stocké de manière très compacte au sein du noyau sous forme de fibre de chromatine, long chapelet de grains de forme cylindrique, les nucléosomes, constitués chacun d'un cœur de protéines basiques, les histones, autour duquel la double hélice est elle-même enroulée sur deux tours. Au sein de la chromatine, les facteurs de transcription et les protéines régulatrices n'ont pas accès aux séquences d'ADN qu'elles reconnaissent spécifiquement, ce qui constitue une manière basale de réprimer l'expression des gènes. Il faut l'intervention de protéines capables de remodeler la chromatine au niveau de ces sites régulateurs pour les rendre accessibles à la machinerie transcriptionnelle.
3.2. La reconnaissance de sites spécifiques de l'ADN

Comment les régulateurs de transcription reconnaissent-ils leurs gènes cibles au sein d'un génome qui en compte plus d'une centaine de milliers ? Des études de mutagenèse ont montré que chacune de ces protéines se lie à l'ADN, le plus souvent en amont de la partie codante des gènes dont elle contrôle l'expression, grâce à la présence d'une séquence d'une dizaine de paires de bases qui lui sert à la fois de site de reconnaissance spécifique et de point d'ancrage. Pour favoriser la formation du complexe ADN-protéine au niveau de la séquence correcte par rapport à toutes les autres, il faut une complémentarité structurale et une stabilisation énergétique, réalisée essentiellement au moyen de liaisons hydrogène et de Van der Waals. La mutation d'une seule paire de bases du site de liaison ou d'un seul aminoacide de la protéine peut suffire à diminuer considérablement l'association sélective des deux.
La double hélice présente, entre les deux chaînes enroulées l'une autour de l'autre, un petit et un grand sillon ; le second, plus large, offrant un meilleur accès aux bases enfouies au cœur de la structure et un plus grand pouvoir discriminant entre les différentes paires de bases, est utilisé le plus souvent dans l'interaction avec la protéine. Dans de très nombreux cas, la protéine utilise un élément de sa propre structure, une hélice alpha : celle-ci va se loger dans le grand sillon à la manière d'une « tête de lecture », les chaînes latérales de certains aminoacides de l'hélice contactant directement les bases de la séquence cible. Cette « hélice de reconnaissance » fait toujours partie d'un motif structural (le « domaine de liaison ») permettant de la stabiliser et de renforcer l'association avec le bon segment d'ADN, en particulier grâce à des liaisons électrostatiques avec les groupements phosphates.
Actuellement, plus d'une centaine de structures de complexes entre un domaine de liaison à l'ADN et un fragment d'ADN contenant la séquence reconnue ont été déterminées expérimentalement, essentiellement par cristallographie aux rayons X et dans quelques cas par résonance magnétique nucléaire (RMN). Il est apparu que les modes de reconnaissance étaient variés, en particulier qu'ils n'étaient pas limités aux hélices alpha, mais faisaient parfois intervenir des feuillets bêta (autre grand type d'élément de structure secondaire rencontré dans les protéines), et aussi le petit sillon de la double hélice plutôt que le grand sillon, comme dans le cas de la TBP. Différents motifs structuraux lient l'ADN, les plus fréquemment rencontrés étant l'« hélice-coude-hélice » et les « doigts de zinc ». Dans les seconds, des ions zinc servent à stabiliser la structure du domaine protéique par liaison à quatre aminoacides disséminés le long de la chaîne polypeptidique, des cystéines ou des histidines.
Un domaine de liaison à l'ADN reconnaît de 3 à 6 paires de bases, ce qui est trop court pour assurer la spécificité de la séquence cible. Pour résoudre ce problème, certains régulateurs de transcription contiennent plusieurs domaines de liaison à l'ADN, mais, le plus souvent, deux molécules de protéines s'associent pour former un dimère. Dans les deux cas, le site reconnu est plus long et la spécificité (discrimination) est donc accrue considérablement, mais l'autre avantage du dimère est l'augmentation importante de la force de liaison du complexe (affinité). Par ailleurs, la possibilité d'association en hétérodimère (deux protéines différentes) permet une combinatoire plus élevée qu'en homodimère et donc une régulation plus complexe.
Un autre facteur important dans la formation et la stabilisation des complexes ADN-protéine est la courbure de l'ADN. Celle-ci peut être intrinsèque (due à la séquence nucléotidique elle-même), ou bien encore induite par l'interaction avec la protéine. Dans ce cas, une adaptation mutuelle des deux partenaires permet d'optimiser leur association. Ainsi, le dimère de la protéine CAP (catabolite activator protein) coude la double hélice à plus de 90° pour s'y fixer plus facilement. La courbure de l'ADN est parfois essentielle à l'activité de la protéine; ainsi, les activateurs de transcription pourraient agir en facilitant l'assemblage du complexe de préinitiation par le rapprochement de ses différents composants.

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Travaux Inra : vers un génome minimal ?

 En 2012, des publications majeures cosignées par des chercheurs de l’Inra éclairent les mécanismes de régulation génique chez la bactérie modèle Bacillus subtilis et visent à déterminer un génome minimal.
In EnglishPar Pascale Mollier MIS À JOUR LE 16/01/2015PUBLIÉ LE 14/10/2014 MOTS-CLÉS : BIOTECHNOLOGIE - GENOME - SOCIOLOGIE - SCIENCES SOCIALES - BIOLOGIE DE SYNTHÈSE
Chargement d'un séquenceur. Les produits des réactions de séquençage sont analysés automatiquement dans les séquenceurs (lectures) par électrophorèse sur gel.. © Inra, MAITRE Christophe
Chargement d'un séquenceur. Les produits des réactions de séquençage sont analysés automatiquement dans les séquenceurs (lectures) par électrophorèse sur gel.
© Inra, MAITRE Christophe
La bactérie Bacillus subtilis (environ 4200 gènes) vit naturellement dans le sol, mais est largement utilisée pour la recherche au laboratoire et dans l’industrie, pour la production de vitamines ou d’enzymes utilisées dans les lessives par exemple. Elle sert de modèle d’étude dans deux programmes européens coordonnés par l’Inra (1), l’un qui étudie le fonctionnement de la bactérie (BaSysBio), l’autre qui vise d’une part à réduire de façon drastique la taille du génome, d’autre part à poursuivre les effort autour de la compréhension du système bactérie et son démontage systémique (BaSynthec). 
Comprendre les mécanismes d’adaptation au milieu
Certains mécanismes de l’adaptation des bactéries sont dévoilés dans deux articles parus en mars 2012 dans la revue internationale Science (voir encadré). Signés par des chercheurs de huit pays d’Europe et d’Australie qui participent au projet BaSysBio, ces articles décrivent comment Bacillus subtilis arrive à vivre dans un environnement naturel en perpétuel changement. Les travaux rapportés quantifient avec une précision sans précédent l’expression de la totalité des gènes de la bactérie dans une centaine de conditions expérimentales différentes (température, humidité,  salinité, nutriments, etc.). Au-delà de la quantité d’informations nouvelles obtenues, pierre angulaire de découvertes pour la communauté scientifique toute entière, ces études ont aussi permis de démontrer qu’une partie significative du « programme » de la bactérie est organisée autour de la transcription et du jeu subtil qui existe entre l'ARN polymérase et l’une de ses sous-unités, le facteur sigma. En effet, près des deux tiers des modifications de l’expression des gènes dans les conditions étudiées sont liés à des changements de facteur sigma.
Un programme prédictible
Pour Vincent Fromion, automaticien à l'unité Inra MIG (1), il n’est pas erroné de parler d'un réel « programme », car il existe très clairement un parallèle entre ce que l’on observe dans la bactérie et ce que l’ingénieur conçoit pour contrôler des systèmes technologiques avancés comme par exemple les avions. Il s’agit même plus que d’un simple parallèle, puisque ce programme très modulaire semble en fait résulter d’un principe général, qui est mathématisable, et qui permet de prédire de façon remarquable le comportement de la bactérie dans un nombre important de conditions, comme l’a montré le projet européen BaSynthec. « Ces  avancées sont essentielles pour la biologie de synthèse, conclut Philippe Noirot, directeur adjoint de l'Institut Micalis et coordinateur de BaSysBio et BaSynThec. Comprendre le système cellulaire et le modéliser dans des conditions naturelles constituent les premiers pas pour prédire son comportement dans d’autres situations, par exemple pour amener la bactérie à synthétiser des composés d’intérêt ».
Vers un génome minimal
Le programme BaSynthec, débuté en 2010, développe une approche dite de “génome minimal”, par enlèvement progressif de portions du génome, afin d’identifier les régions critiques pour les fonctions de base de multiplication et de survie.  « On identifie les parties de génome qui peuvent être enlevées et celles qui ne le peuvent pas», résume Philippe Noirot.
En laboratoire, dans un milieu contrôlé (température, humidité, etc.), des souches de la bactérie peuvent survivre sans certains gènes. « Même privées d'un gros morceau de génome, certaines restent robustes, ce qui confirme l'existence de principes sous-jacents de robustesse qui sont très intéressants à étudier », note Vincent Fromion. Ainsi, grâce à ce catalogue de souches, il devient envisageable de créer un  génome minimal pour utiliser la bactérie en laboratoire afin de produire des protéines. « L'intérêt d'un génome minimal est double, explique Vincent Fromion. D’abord, en retirant les gènes " inutiles ", on évite l'émergence d'interactions que l’on ignore. Ensuite, la bactérie sera quasi inapte à résister dans des environnements naturels, ce qui limite la portée d'une propagation accidentelle. »
Le génome minimal, une notion relative
Les différences de taille trouvées pour les génomes minimaux de différents organismes amène Thomas Heams (2) à suggérer de « se départir d’une vision purement comptable du lot minimal de gènes ». Il préconise plutôt d’étudier le métabolisme minimal pour comprendre ce que pourrait être une cellule minimale. Michel Morange (3), rejoint en cela par Carole Lartigue (4), « s’interroge sur la pertinence du présupposé selon lequel il existerait une forme minimale de vie. Car, au contraire, il est très probable que la recherche du minimum de vie ne convergera pas vers une seule, mais plusieurs solutions » (5).
 
(1) Equipe “Biologie des Systèmes et de Synthèse” de l’Institut Micalis de l’Inra et Equipe BioSys de l’unité “Mathématique, Informatique et Génomes” (MIG), à Jouy-en-Josas(2) Heams, « De quoi la biologie synthétique est-elle le nom ? », ouvrage collectif « Les mondes darwiniens », Syllepse, 2009, Matériologiques (réédition), 2011.(3) Professeur à l’Université de Paris VI et à l’Ecole normale supérieure. Ouvrage : Michel  Morange, « La vie expliquée », Editions Odile Jacob, 2008, p.142.(4) Chercheuse à l’INRA et ancienne collaboratrice de Craig Venter.(5) Extrait du rapport OPECST, 2012.
Contact(s)
Contact(s) scientifique(s) :
Philippe Noirot UMR1319 MICALIS MICrobiologie de l'ALImentation au Service de la Santé Humaine
Vincent Fromion UR1077 MIG Mathématique, Informatique et Génome
Département(s) associé(s) :
Microbiologie et chaîne alimentaire, Mathématiques et informatique appliquées, Alimentation humaine, Physiologie animale et systèmes d’élevage
Centre(s) associé(s) :
Jouy-en-Josas
RÉFÉRENCES
- Basysbio :
Buescher J-M., ...and Aymerich S., Sauer U. Global network reorganization during dynamic adaptations of Bacillus subtilis metabolism. Science 2012 March 2:335(6072):1099-1103. DOI: 10.1126/science.1206871.
Nicolas P., ...and Noirot P. Condition-Dependent Transcriptome Reveals High-Level Regulatory Architecture in Bacillus subtilis. Science 2012 March 2:335 (6072):1103-1106, DOI:10.1126/science.1206848.
- BaSynthec :
Tanaka K., ...and Noirot P. 2013. Building the repertoire of dispensable chromosome regions in Bacillus subtilis entails major refinement of cognate large-scale metabolic model. Nucleic Acids Res. 41(1):687-99. DOI: 10.1093/nar/gks963. Epub 2012 Oct 29.
TRAVAUX PRÉCURSEURS
Résultats antérieurs du Craig Venter Institute sur la recherche d’un génome minimal :
2005 : Les travaux de Glass et al. visent à identifier un génome minimal chez la bactérie Mycoplasma genitalium, qui a le plus petit génome connu chez un organisme cultivable. Environ 400 gènes seraient indispensables à la survie.
2006 : découverte d’une bactérie (Candidatus carsonella ruddii) qui possède un génome de 180 gènes.

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Texte de la 356e conférence de l’Université de tous les savoirs donnée le 21 décembre 2000.

Les nouvelles technologies en recherche biologique
Par Christophe Thurieau

Introduction
Un médicament contient une ou plusieurs molécules actives qui, administré à l’homme, provoque des modifications d’un état précédemment pathologique ou normal. Le concept de la clef et de la serrure, selon lequel un médicament actif se lie spécifiquement à une cible biologique, est ancien, et lié à Emile Fisher en 1894. Il a fallut attendre les années 60 pour que ce modèle soit enfin appliqué de façon remarquable par le pharmacologue britannique Sir James Black (devenu depuis prix Nobel). En effet, à partir de ses observations, notamment, en partant du constat que l’adrénaline, hormone surrénalienne déjà identifiée avait sur le cœur 2 catégories d’effets parfaitement distinctes, dits ? et ?, il a émis l’hypothèse que ces effets résultaient très probablement de l’action sur des récepteurs spécifiques et différents. De ces recherches, sont nés le premier ?-bloquant (anti-hypertenseur) et plus tard le premier anti-H2, la cimétidine, apport majeur au traitement des ulcères gastro-duodénaux. Dès lors une approche réellement rationnelle de la mise au point du médicament s’est établie.
Avec les progrès de la biologie cellulaire, incluant notamment la culture de lignées cellulaire et l’application du concept clef serrure, des techniques d’évaluation du niveau d’association d’un ligand avec sa cible (un récepteur ou une enzyme) dites techniques de binding (ou tests de liaison) ont pu être réalisées et permettre ainsi d’identifier des composés chimiques lorsque ceux-ci empêchent la fixation du ligand naturel.
Cependant, le point de départ de la recherche pharmaceutique a toujours été la connaissance d’un ligand (clef), qu’elle soit issue d’un produit naturel, ou qu’elle soit le résultat d’une synthèse chimique, la cible étant soit inconnue, soit identifiée tardivement dans le développement, voire après celui-ci. Aujourd’hui, les méthodes biotechnologiques permettent l’inversion de ce processus, en identifiant souvent les cibles avant même que soit connu le ligand naturel qui y est attaché. Cette approche nécessite la mise en place de concepts et d’instruments entièrement nouveaux.
En effet, les avancées scientifiques et techniques considérables de ces dernières années en biologie moléculaire, biologie cellulaire et biochimie permettent de découvrir un grand nombre de composants biologiques nouveaux dont la fonction physiologique n’est pas connue. La découverte de ces nouvelles entités biologiques génère de nouvelles cibles ou pistes potentielles de recherche.
Ces technologies innovantes, devenues progressivement disponibles depuis le début des années 90, sont en train de révolutionner les processus de découverte en biologie et en conséquence les stratégies de recherche de nouveaux médicaments.
La nouvelle stratégie de découverte des médicaments.
L’accès à ces données, l’identification de la fonction de ces acteurs bio-moléculaires fait appel aujourd’hui à un panel de technologies nouvelles résultant du mariage de techniques propres à l’informatique, la chimie, la microélectronique et de la bio-robotique.
La génomique
La génomique peut être définie comme la discipline dédiée à l’identification de l’ensemble des gènes du patrimoine génétique (le génome) et à l’élucidation de leur fonction. On parle aujourd’hui de génomique structurale (connaissance de la séquence des gènes) et de génomique fonctionnelle (analyse de la fonction). Le challenge est énorme car il s’agit de pouvoir comprendre l’organisation et la fonction de plus de 100 000 gènes et plus encore de déterminer comment les produits de ces gènes que sont les protéines interagissent pour assurer le fonctionnement d’une cellule.
Pour traiter cette augmentation exponentielle et complexe de données, des technologies révolutionnaires, les puces ADN, sont développées (Figure 1). L’étude de la dynamique de la cellule et du génome impose en effet de pouvoir analyser simultanément un mélange complexe de plusieurs dizaines de milliers de gènes dont les niveaux d’expression varient de 1 à 10 000 transcrits (ARNm) par cellule. Les puces à ADN résultent de la combinaison des techniques de miniaturisation propres à la microélectronique, de la chimie, de la biologie moléculaire et de l’informatique.
Figure 1 Les puces à ADN- Analyse de l’expression d’un grand nombre de séquences.
La puce ADN est constituée d’un réseau dense et régulier de micro surfaces, les unités d’hybridation (UH) gravées sur un support plan. Chaque UH est greffée avec des molécules simple brin d’ADN. Le rôle de chaque UH est de reconnaître, dans un mélange appliqué sur la surface de la puce, une séquence particulière, par réaction d’hybridation entre séquences complémentaires (base de la biologie moléculaire). Les molécules greffées sur la puce constituent les sondes et les ADN en solution, marqués par exemple par fluorescence, sont les cibles. A l’issue de chaque réaction d’hybridation, les signaux émis sur chaque UH sont mesurés et analysés. Le traitement des données d’intensité permet l’évaluation de la concentration des cibles cellulaires. Les plus hautes densités réalisées à ce jour sont d’environ 105 à 106 UH/cm2 (UH de 30 à 10 ?m de côté) et sont adaptées à la quantification de l’expression d’un grand nombre des gènes d’un type cellulaire donné (10 000 à 50 000 gènes exprimés). Les applications actuelles (séquençage du génome, analyse des transcrits, criblage de mutations) sont déjà révélatrices des immenses potentialités des puces ADN et de l’avenir promis à ces technologies.
Des applications futures très prometteuses verront très probablement le jour avec principalement :
- Études sur la diversité génétique humaine et l’histoire des migrations des populations.
- Recherche accélérée dans les maladies d’origine génétique ; Etudes d’association et recherche de facteurs de risques
- Analyses du spectre d’action de nouveaux médicaments (potentiel thérapeutique, effets secondaires, définition des doses, diagnostic…).
La génomique a permis l’éclosion de nouvelles disciplines dont la pharmacogénétique, étude des variations héréditaires de la réponse aux médicaments en terme d’efficacité et de toxicité. De grands programmes de pharmacogénomique sont aujourd’hui engagés, ayant pour objectif de différencier des populations d’individus répondeurs ou non répondeurs à un médicament. Cette nouvelle discipline nécessite le recours à une carte physique ultra fine du génome humain. La recherche de populations « génétiquement homogènes » est un enjeu majeur qui donnera un avantage compétitif considérable dans l’établissement d’une telle carte.
La Protéomique
Le développement des techniques de purification et d’analyses biochimiques permettent aujourd’hui d’envisager l’étude des produits des gènes que sont les protéines (Figure 2).
Figure 2 : La Protéomique- Séparation et identification des protéines cellulaires.
Il s’agit de pouvoir développer des cartographies de ces acteurs moléculaires au sein de la cellule. Les protéines contenues dans un extrait cellulaire sont séparées selon leur poids moléculaire et leur charge nette globale par électrophorèse bidimensionnelle. L’identification de ces protéines est réalisée par élution de celles-ci des gels d’électrophorèses, digestion enzymatique et analyse en spectrométrie de masse des fragments obtenus. Une comparaison des spectres obtenus avec des banques de données spectrales permet de déterminer si ces protéines sont connues.
Une image de la « population » protéique en réponse à un état cellulaire déterminé, est ainsi obtenue. Il est possible de réaliser et de comparer un grand nombre de ces cartes dans le but de repérer, et de lier une production anormale de certaines protéines à une situation pathologique.
La chimie combinatoire
Avant l’ère de la chimie combinatoire, les capacités de synthèses chimiques étaient limitées à une ou quelques molécules par semaine pour un chimiste, alors que pour obtenir un médicament candidat, il fallait disposer de plusieurs dizaines voire centaines d’analogues de la molécule active de départ.
La chimie combinatoire consiste à synthétiser en parallèle, et par des moyens très automatisés, des familles de produits ou chimiothèques (libraries), construites par assemblage de blocs de construction (building blocks pour les Anglo-saxons) ou monomères qui portent des fonctionnalités chimiques qui vont interagir avec la cible. Ces techniques permettent de générer un grand nombre de molécules et d’augmenter considérablement leur diversité.
Cette approche peut être comparée à un immense jeu de cubes, de couleurs et de tailles différentes. Chacun de ces cubes est disponible en quantité infinie et le joueur effectue, une multitude de combinaisons entre ces cubes. Parmi l'ensemble des combinaisons possibles, il retiendra la construction conforme à un objectif déterminé. Le joueur éliminera toutes les autres constructions inutiles. En prenant par exemple comme cubes des acides aminés, naturels ou artificiels, avec 20 éléments de base, les possibilités de combinaisons sont égales à 20n, n étant le nombre d'acides aminés de la construction, autrement dit, de la molécule. Pour une molécule constituée de 2 acides aminés, le nombre de possibilités d'organiser ces 20 acides aminés est de 20 x 20. Si c'est une molécule de 3 acides aminés, ce nombre passe à 20 x 20 x 20 etc.… A la différence du jeu de cubes, en laboratoire, la synthèse automatisée et systématique d'un grand nombre de molécules est réalisée en parallèle et en simultané. Les molécules ainsi construites, ainsi « synthétisées », sont toutes conservées dans des bibliothèques chimiques, ou « chimiothèques ». Chaque molécule, chaque « construction », est ensuite testée vis à vis de cibles biologiques (enzymes, hormones, récepteurs membranaires…) à l’aide de systèmes robotiques de mesure ultrarapide, appelé « criblage à haut débit ».
Le champ d’application de la chimie combinatoire s’étend d’ores et déjà au-delà du domaine des sciences de la vie. En chimie minérale, des banques combinatoire d’oxydes mixtes ont été réalisées, et ont permis de découvrir des composés magnéto résistants et supraconducteurs entièrement nouveaux.
Le criblage pharmacologique à haut rendement
Le criblage systématique de molécules d’origines diverses (chimie de synthèse, produits naturels, micro-organismes…) sur des cibles biologiques a toujours constitué une approche de choix utilisée par l’industrie pharmaceutique dans la découverte de nouveaux médicaments. De nombreux médicaments comme l’anticancéreux « Taxol », l’immunosuppresseur « Cyclosporin » ou l’antihyperlipidémiant « Sinvastatin » illustrent les succès obtenus par cette approche.
Les développements récents de la chimie combinatoire générant un nombre important de molécules avec un haut degré de diversité structurale et les progrès en robotique et en informatique scientifique, ont placé les techniques de criblage à haut rendement (HTS pour High Throughput Screening) au centre du procédé de découverte de molécules actives sur ces nouvelles cibles.
Les tests biologiques, mis au point à partir de la cible identifiée, ont ainsi évolué dans des formats permettant la mesure rapide d’activité de quelques milliers de molécules par jour au milieu des années 1990 à plusieurs dizaines de milliers par jour aujourd’hui.
Cette augmentation importante des capacités de tests est liée à une progression très rapide de la miniaturisation des technologies de détection et de prélèvement de liquide qui permettent d’assurer la manipulation avec reproductibilité de volumes de l’ordre du millionième de litre.
Figure 3 : Plate forme robotique de test biologique à haut débit
Ce criblage à haut rendement n’est possible que par la mise en place d’un laboratoire faisant appel aux derniers développements de la robotique et de l’informatique (Figure 3). L’unité de base de travail du système est une plaque de microtitration qui suivant la configuration permet le test de 96 à 1034 produits de façon simultanée.
Le protocole correspondant au test à effectuer est programmé grâce à un logiciel spécialement développé. Chaque étape de ce protocole est apprise par le système et la localisation précise et l’accessibilité des différents appareils est définie pour le bras robotique. Ces systèmes effectuent les tâches répétitives d’un test biologique comme la distribution des réactifs et des composants biologiques, les incubations, la filtration le séchage, et la lecture des résultats et assure le débit de plusieurs milliers de mesures par jour sur une cible biologique sélectionnée. Grâce à un outil informatique puissant l’analyse du flux très important d’informations provenant de ces programmes de criblage permet d’établir des corrélations rapides entre structures chimiques et activité biologiques.
Les molécules actives ainsi identifiées lors de ces premiers tests sont utilisées comme modèle pour concevoir et synthétiser de nouvelles familles de molécules plus actives et plus sélectives pour la cible biologique considérée. Cette approche itérative est effectuée jusqu’à l’obtention de composés ayant le profil d’activité recherché. L’objectif est d’identifier rapidement un candidat médicament qui pourra être testé sur des espèces animales et éventuellement lors d’essais cliniques chez l’homme.
Les technologies de test à haut débit sont en pleine évolution et aujourd’hui elles s’étendent à des domaines de complexité croissante. En effet, l’objectif est de pouvoir réaliser des mesures d’activités d’une même molécule sur différents paramètres cellulaires avec la même rapidité et reproductibilité que sur des composants biologiques isolés comme les récepteurs et les enzymes. Ces techniques sont basées sur de l’application des marqueurs de fluorescences dans les tests biologiques et sur le développement d’algorithmes de traitement d’image. En réponse à des stimuli particuliers plusieurs mécanismes intracellulaires peuvent être analysés comme l’internalisation de récepteurs, le trafic intracellulaire, l’activation de certains gènes et bien sur la viabilité et la motilité cellulaire.
Conclusion
Les informations provenant des programmes de séquençage du génome humain nous permettent de prédire que celui ci est composé de 100 000 à 120 000 gènes. L’identification de la structure et de la fonction de ces gènes représente un challenge sans précédent. De l’étude de leur structure et de leur fonction pourront naître 5 000 à 10 000 nouvelles cibles biologiques potentielles pour le développement de futurs agents thérapeutiques. C’est pour pouvoir relever ce défi, que les laboratoires de recherche s’emploient à développer et à mettre en place un grand nombre de technologies innovantes.

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