Les secrets incroyables de la salamandre

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La salamandre fut longtemps un animal considéré comme résistant au feu et même originaire du feu. Ce mythe fut basé sur le fait que cet animal avait le corps froid et devait donc repousser les flammes. Du slibovitche dans lequel était mariné une salamandre était supposé posséder des vertus aphrodisiaques … Il fallait être natif de Slovénie pour y croire ! Mais la salamandre occupe les biologistes pour un tout autre sujet qui n’a rien à voir avec les légendes relatives à cet animal plutôt inoffensif quoique pouvant être toxique au toucher car c’est le seul vertébré capable de régénérer un membre en partie ou totalement. C’est la raison pour laquelle une équipe de biologistes du Karolinska Institute à Stockholm s’est penchée sur le génome de la salamandre pour tenter de comprendre quel pouvait être ce mécanisme de régénération des membres comme un animal pouvant renaître de ses cendres. mais laissons de côté les légendes qui n’ont rien à voir avec la science.

Seuls parmi les vertébrés les salamandres, tritons et autres axolotls possèdent ce faculté extraordinaire de régénération d’un membre entier, mais pas seulement car ces animaux assez spéciaux peuvent aussi régénérer un oeil, leur queue et même un morceau de leur cerveau ou une mâchoire ! La salamandre d’Espagne (Pleurodeles waltl) peut être aisément élevée dans une animalerie de laboratoire bien qu’elle sécrète par la peau une substance toxique quand elle est manipulée et elle a été utilisée pour étudier le pourquoi et le comment de ses facultés de régénération. Le génome entier réparti sur 12 chromosomes est constitué de 19,38 milliards de paires de bases (trois fois plus que chez l’homme !) codant pour 22847 gènes, 19903 d’entre eux correspondant à des protéines dont seulement 14805 ont été identifiés, les autres protéines codées ont été identifiées grâce aux ARN messagers lors des études de transcription. Le génome de cette salamandre est probablement l’un des plus grand du règne animal et son ADN possède le plus grand nombre connu de séquences répétées.

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Parmi ces séquences répétées se trouve une famille de gènes codant pour des facteurs de transcription, c’est-à-dire des protéines qui « ouvrent » la copie de portions d’ADN à leur transcription en ARNs messagers. Certains de ces facteurs appelés PAX se retrouvent chez d’autres vertébrés dont l’homme et ont été identifiés à des oncogènes chez ce dernier. Il s’agit de gènes exprimés dans des circonstances particulières et notamment dans des cellules cancéreuses. Chez la salamandre ces facteurs facilitent l’expression de gènes impliqués dans la régénération des tissus y compris des membres ou des yeux. Ils sont exprimés au cours de l’embryogenèse mais on ignore encore quels sont tous les gènes dont l’expression est sous le contrôle de ces facteurs de transcription et quel est le mécanisme de la genèse de novo d’un membre qui est une structure anatomique complexe comportant des os et des muscles attachés à ces derniers.

L’élucidation complète du génome de la salamandre ouvre donc une perspective riche de promesses dans le domaine de la régénération d’organes à l’aide de cultures de cellules. Il faudra encore de nombreuses années de recherche pour arriver à manipuler le vivant à des fins thérapeutiques totalement inattendues encore aujourd’hui. Décidément la biologie moderne réserve des surprises presque quotidiennes …

Source et illustrations : doi 10.1038/s41467-017-01964-9

Le gène de l’homosexualité, une chimère statistique ?

Décriminaliser l’homosexualité comme par exemple en Arabie Saoudite ou en Egypte pourrait être un jour envisagé si on se réfère aveuglément à une étude réalisée à l’Université de Chicago relative aux différences génétiques entre homosexuels (1077 sujets étudiés) et hétérosexuels (1233 sujets étudiés). Tout a été fait avec des machines depuis la préparation des échantillons de sang ou de salive, jusqu’au séquençage de l’ADN puis l’étude statistique des résultats. Pour comprendre que la biologie moléculaire moderne est une histoire de machines automatiques et que la créativité du biologiste ne réside plus que dans des spéculations parfois hasardeuses parmi les 877000 SNPs (single nucleotide polymorphisms, mutations ponctuelles sur une seule base de l’ADN) détectées par le séquençage, 361870 d’entre elles ont été retenues pour une analyse détaillée. Après divers filtrages seulement 361080 ont finalement fait l’objet d’une recherche à l’aide de logiciels d’analyse spécialisés.

Il a résulté au final de ce travail effectué sans éprouvettes ni tubes à essai mais seulement avec des robots que les homosexuels présentaient une plus forte tendance statistique de SNPs que les hétérosexuels sur deux gènes bien précis situés respectivement sur les chromosomes 13 et 14. Il s’agit des gènes rs9547443 sur chromosome 13 et rs1035144 sur le chromosome 14.

Là où les biologistes ont du faire tout de même preuve de quelque créativité réside dans l’interprétation à donner ou plutôt à trouver pour expliquer le pourquoi et le comment de l’homosexualité. Venons-en donc aux faits.

Le premier gène affecté par des SNPs anormalement abondantes chez les homosexuels et situé sur le chromosome 13 s’appelle SLITRK6. La protéine codée est impliquée dans le développement des neurones en particulier au niveau du diencéphale, c’est-à-dire la partie la plus interne du cerveau qui comprend aussi l’hypothalamus et l’hypophyse. Cette protéine est également connue comme étant un candidat pour expliquer certains désordres neuropsychiques et de comportement. De là à dire que l’homosexualité relève de la psychiatrie serait hasardeux bien que certaines études (citées dans l’article, voir le doi en fin de billet) indiquent que le diencéphale serait plus développé chez les homosexuels que chez les hétérosexuels.

L’autre concentration statistiquement significative de SNPs située sur le chromosome 14 concerne un gène codant pour le récepteur de l’hormone de stimulation de la glande thyroïde (TSH ou thyrotropine), nommément le gène TSHR. Si le principal tissu affecté par l’hormone en question sécrétée par l’hypothalamus est la glande thyroïde il existe également d’autres tissus riches en ce récepteur dont certaines zones du cerveau densément peuplées de neurones comme l’hyppocampe. De là à dire après s’être longuement gratté le cuir chevelu qu’il y aurait peut-être une influence sur l’orientation sexuelle me paraît, à mon humble avis, un peu « téléphoné » comme on dit dans les chaumières.

Bref, le mythe d’une origine génétique de l’homosexualité ressurgit périodiquement mais cette fois avec quelques évidences qu’il faut prendre avec des pincettes après avoir lu en détail cet article.

Source et illustration relative au chromosome 13 : 10.1038/s41598-017-15736-4

Du grain à moudre pour les adversaires des OGMs ?

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C’est une information scientifique qui n’a pas fait l’objet d’une publication car les auteurs de l’étude se sont heurté à l’opposition du Congrès américain via la FDA (Food and Drug Administration). Il s’agit d’un parcours assez inhabituel car l’enjeu est de taille : la modification génétique d’un embryon humain. Cette fois-ci la manipulation n’a pas été réalisée dans un laboratoire chinois, à l’Université médicale de Guanzhou, mais à l’Université de Portland dans l’Oregon. L’administration américaine s’est à juste titre émue du comment et du pourquoi de ce type de recherche qui a néanmoins respecté la loi car les embryons humains ont été détruits à la fin de l’expérience. Le Congrès américain a en effet interdit le financement de tels travaux sur les embryons humains. Cependant les comités d’éthique prévoient que dans un avenir encore incertain de telles approches soient autorisées mais seulement dans certains cas très limités qu’il reste à préciser.

Les résultats des tentatives réalisées à l’Université de Portland ont une nouvelle fois révélé que l’utilisation de l’outil CRISPR-cas9 n’étais pas aussi spécifique que les scientifiques l’espéraient. Ils ont encore une fois, après les Chinois, constaté un « effet mosaïque », c’est-à-dire une dissémination indésirable de l’introduction du gène en question. Dans le cas de ces derniers travaux, selon les informations disponibles, la modification à l’aide du CRISPR a été réalisée au cours de la fécondation in vitro avec le sperme d’un donneur et encore une fois non seulement il y a eu dissémination indésirable du gène introduit mais moins de 50 % des cellules résultant de la multiplication subséquente ont été modifiées. Cette observation pourrait réduire à néant l’utilité d’un tel outil qui fait toujours l’objet d’une vive querelle juridique au sujet de sa protection par des brevets. Que cette approche technique soit utilisée pour modifier une plante ou une levure est une chose mais qu’elle soit utilisée pour modifier des embryons humains en est une autre.

Précisément à l’heure ou le petit Charlie Gard (illustration) a été « débranché » et est décédé après que son cas ait défrayé la chronique en Grande-Bretagne, il faudrait que les comités d’éthique se positionnent une fois pour toutes car la croyance populaire semble fonder trop d’espoirs sur les progrès récents de la biologie. L’enfant souffrait d’une très rare mutation concernant son ADN mitochondrial et s’il a survécu à sa vie foetale ce fut une exception. Aucune thérapie génique n’aurait pu sauver cet enfant, certainement pas avec l’outil CRISPR … Néanmoins il ne faut pas définitivement interdire toute approche génétique dans la mesure où des vies puissent être sauver. Il est opportun de citer ici les modifications de cellules souches de lymphocytes provenant d’un patient souffrant d’un cancer afin de les rediriger pour détruire les cellules cancéreuses, une solution beaucoup plus rapide expérimentalement que la production d’anticorps monoclonaux … La biologie moderne réserve encore de nombreuses surprises et il faudra parfois faire fi du détestable principe de précaution mais dans un cadre juridique bien défini.

Sources : diverses

L’élixir de jouvence pour bientôt ? Pas si sûr

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Quand en 2006, il y a déjà 10 ans … comme le temps passe vite, les Docteurs Takahashi et Yamanaka de l’Université de Kyoto publièrent leurs travaux sur l’induction de cellules souches à partir de n’importe quelles cellules adultes la presse salua cette découverte comme pouvant constituer un futur élixir de jouvence. Il s’agissait de 4 facteurs dits de transcription appelés depuis les « molécules de Yamanaka ». Ces travaux concernaient alors des cellules en culture et l’extrapolation sur des animaux vient tout juste d’être décrite sur des souris dans le cadre d’une collaboration entre le Laboratoire d’expression génique du Salk Institute à La Jolla en Californie et trois Universités espagnoles.

Il s’est agi de tenter de rajeunir des souris génétiquement modifiées pour reproduire le syndrome d’Hutchinson-Gilford décrit chez l’homme. C’est une maladie génétique rare dont le symptôme majeur est un vieillissement accéléré tant au niveau cellulaire que tissulaire. La progéria – c’est son nom médical – est mortelle et aucun enfant atteint n’a jamais survécu plus de quelques années. Les biologistes du Salk Institute se sont donc fait la main sur des cellules humaines de patients souffrant de cette maladie et ont démontré que les facteurs de Yamanaka réversaient au niveau cellulaire les effets de cette mutation ne modifiant pourtant qu’une seule protéine appelée lamine qui intervient en particulier dans l’intégrité du noyau cellulaire et donc de l’ADN.

 

Les souris modèles présentant ce syndrome, une mutation sur le gène de la lamine, ont été reprogrammées à l’aide d’une molécule chimique simple pour sur-exprimer les 4 facteurs de Yamanaka et elles ont été presque complètement guéries. Une sorte de contrôle avec des souris normales également reprogrammées pour exprimer également ces 4 facteurs ont vécu beaucoup plus longtemps, toutes proportions gardées comme si un être humain vivait allègrement plus de 150 ans … Mais il n’y a rien sensationnel dans cette étude scientifique très complexe dont certains médias se sont emparés pour créer de faux espoirs. Les 4 facteurs de Yamanaka sont des facteurs de transcription, faut-il le répéter, et l’expression de leurs gènes doit être stimulée à l’aide de doxycycline, un antibiotique de la famille des tétracyclines. Les souris ont été traitées 2 jours par semaine avec cet antibiotique dès l’âge de 8 semaines jusqu’à leur mort et le résultat qu’on peut qualifier de spectaculaire ne doit en rien être interprété comme pouvant conduire à une application thérapeutique anti-vieillissement pour l’homme car il ne faut pas oublier que l’induction des facteurs de Yamanaka (Oct4, Sox2, Klf4 et c-Myc dans la figure) peut aussi avoir des effets tératogènes, en d’autres termes l’apparition de très méchantes tumeurs indifférenciées. Il faudra probablement attendre les résultats de nombreux essais cliniques sur le long terme avec des volontaires si possible courageux pour voir une application possible de ces travaux. Si les protocoles utilisés dans cette étude devaient être appliqués à l’homme il faudrait se traiter chaque semaine dès l’âge de 20 ans pour hypothétiquement voir sa vie prolongée dans de bonnes conditions physiques pour on ne sait pas trop combien d’années avec comme une épée de Damoclès le développement de cancers atypiques, le prix pour rester jeune ?

Source et illustration : Cell en accès libre, doi : 10.1016/j.cell.11.052

Les petits secrets du séquençage de l’ADN

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La société Illumina Inc, leader mondial des machines de séquençage de l’ADN (capitalisation au NASDAQ 20 milliards de dollars), utilise une technique ultra-secrète de diffusion des fragments d’ADN préalablement modifiés avec des marqueurs fluorescents au travers d’une membrane dont la composition n’est même pas totalement révélée dans les divers brevets qui protègent cette invention. Mais il n’y a pas que Illumina, associée à des équipes de biologistes et de chimistes de l’Université de l’Etat de Washington qui a eu à peu près la même idée. Un start-up anglaise travaillant en étroite collaboration avec l’Université d’Oxford – Oxford Nanopore Technologies – a développé le même type de membrane ressemblant, malgré son caractère secret, à celle mise au point par Illumina.

Comme on pouvait s’y attendre, car les enjeux économiques sont gigantesques dans le domaine du séquençage des acides nucléiques (ADN et ARN), il y a eu une bataille juridique acharnée devant la Commission américaine du commerce international (US International Trade Commission) pour tenter de trouver une solution à ce problème qui dépasse de loin la compétence des juges. La question était de savoir qui copie l’autre. Les juges se sont contenté d’apporter une réponse évasive en se référant à une doctrine juridique dite des « équivalents », en d’autres termes les deux techniques sont presque les mêmes, mais pas tout à fait, et peuvent donc faire l’objet de protections industrielles séparées.

Pour la plus grande satisfaction intellectuelle de tous les utilisateurs de machines de séquençage le voile du secret a donc été levé par Oxford Nanopore. Il s’agit d’une membrane dont les nanopores sont tapissés par une protéine en forme de tube que l’on retrouve chez toutes les bactéries et qui sert à contrôler l’entrée de macromolécules à l’intérieur de ces bactéries. Cette protéine est appelée comme il se doit une « porine ». La différence entre les technologies de ces deux compagnies est que l’une (Illumina) a opté pour une porine de mycobactérie alors que l’autre (Oxford nanopore) a choisi une porine d’Escherichia coli. Le souci est que ces protéines sont très proches au niveau structural – leur séquence d’aminoacides – et les juges ont conclu que les problèmes seraient résolus si les porines utilisées ne présentaient pas plus de 68 % d’homologie de structure. On appelle ça couper la poire en deux.

Ce que l’on ne connait toujours pas est la modification de l’enchainement des aminoacides de ces porines produites par génie génétique afin qu’elle transmettent correctement un signal électrique quand les brins d’ADN (ou d’ARN) les traversent. Et c’est sur ce point particulier que le secret est jalousement gardé par Oxford nanopore car une machine de séquençage doit être fiable à plus de 95 %. Les juges américains se sont déclarés incompétents et il est facile de le comprendre compte tenu de la complexité de cette technologie.

Bref, nul ne sait si Oxford nanopore supplantera un jour Illumina grâce à sa nouvelle technique initialement développée (Brevet US 20140186823 A1 que je conseille aux curieux de lire) par un laboratoire belge mais la bataille juridique est terminée et il faut souhaiter que chaque société réalise des bénéfices calmement.

Source : Science magazine, illustration Oxford nanopore : une porine à l’intérieur de laquelle passe un fragment d’ADN mono-brin.

L’hormone de jouvence ?

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La télomérase est un enzyme particulier qui maintient une longueur suffisante à ces petits morceaux d’ADN qui se trouvent aux extrémités des chromosomes et appelés télomères. On pourrait comparer ces brins d’ADN de tout de même 8000 paires de bases aux petits morceaux de ficelle qui se trouvent aux extrémités d’un saucisson. Etant Lyonnais d’origine je trouve cette comparaison tout à fait appropriée. Ces télomères protègent les chromosomes contre des recopiages anarchiques lors des divisions cellulaires.

Chez une personne en bonne santé les télomères des cellules qui se multiplient constamment toute la vie sont amputés chaque année d’environ 50 paires de bases. Il s’agit d’un des principaux symptômes au niveau moléculaire du vieillissement car si la longueur des télomères vient à devenir critiquement faible alors la division cellulaire est gravement perturbée et les cellules meurent. Cette observation a fait dire que la télomérase pouvait être considérée comme une cible pour l’élixir de jouvence, tout un programme qui excite de nombreux biologistes de par le monde. Chez certains patients l’enzyme en question est donc déficient et l’un des symptômes est une anémie permanente car les cellules de la moelle osseuse ne remplissent plus correctement leur rôle de fourniture d’hématies et de lymphocytes à l’organisme, ces cellules sanguines ayant une durée de vie limitée.

Depuis les années 1950 l’un des traitement de l’anémie dite aplasique le plus souvent accompagnée de fibrose pulmonaire est l’utilisation d’androgènes de synthèse comme par exemple le Danazol sachant que les androgènes sont connus pour augmenter le nombre de globules rouges dans le sang en stimulant la moelle osseuse. Cependant on ignorait quel était le mécanisme d’action de ces androgènes même si on savait qu’ils présentent également une activité antiœstrogène mise à profit pour traiter l’inflammation chronique de l’endomètre (endométriose) en réduisant significativement les taux de progestérone et d’estradiol chez la femme.

C’est en suivant l’évolution des télomères de la lignée sanguine blanche chez des enfants traités avec du Danazol car souffrant d’anémie sévère liée à une déficience partielle en télomérase (téloméropathie) que l’effet de cet androgène a été découvert. Il se fixe sur le promoteur du gène codant pour la télomérase et induit une synthèse accrue de cet enzyme considéré comme la clé de l’anti-vieillissement. Chez ces patients relevant des services intensifs de pédiatrie et soumis à un traitement avec du Danazol une série de marqueurs ont été soigneusement suivis et la longueur des télomères des cellules sanguines de la lignée blanche qui diminuent chaque année et inexorablement de plus de 120 paires de bases a été minutieusement mesurée.

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Comme l’indique l’illustration ci-dessus extraite de la publication (doi en fin de billet) non seulement le Danazol stoppe la diminution de la longueur des télomères mais a même tendance a favoriser leur élongation par comparaison avec leur longueur au temps zéro de l’essai clinique. Si cette étude a englobé seulement une douzaine d’enfants et n’incluait pas de témoins ne souffrant pas de téloméropathie, elle montre pourtant que les androgènes, dans le cas du Danazol un androgène de synthèse, favorisent le maintien de la longueur des télomères et que ces molécules peuvent être considérés comme des produits anti-vieillissement chez des sujets sains malgré un certain nombre d’effets indésirables. Pour corroborer cette étude, chez les femmes traités après la ménopause avec des hormones de synthèse des observations ont montré que la longueur des télomères augmentait durant ce traitement. Bref, le temps où tout un chacun pourra suivre un traitement efficace contre l’inexorable raccourcissement des télomères afin de voir sa vie prolongée est encore éloigné mais on peut toujours espérer découvrir un jour le cocktail de jouvence …

Source : New England Journal of Medicine,

doi : 10.1056/NEJMoa1515319

Le dogme « un gène-une protéine » remis en question

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Dans un mémorable article paru dans les PNAS en 1941, George Beadle et Edward Tatum posèrent la première fondatrice de la biologie moléculaire moderne en clamant qu’à un gène correspondait un enzyme. Par extension ce dogme de la biologie a été réécrit « un gène-une protéine » car les protéines ne possèdent pas toutes une activité enzymatique. Tatum et Beadle reçurent le Prix Nobel de Médecine 17 ans plus tard pour cette découverte réalisée en étudiant des mutations chez la moisissure Neurospora crassa. Il faut replacer cette découverte dans son contexte d’alors. On ne connaissait même pas la structure de l’ADN ni le code génétique qui ne fut définitivement décrit qu’en 1961. Aujourd’hui des machines automatiques arrivent à élucider la séquence complète de l’ADN d’un organisme en quelques jours. Notre ADN contient environ 20000 gènes répartis dans 23 chromosomes. Pourquoi alors sommes-nous si différents du petit ver nématode Caenorhabditis elegans dont le génome réparti dans 6 chromosomes code également pour une vingtaine de milliers de protéines ?

Ce sont les progrès modernes d’investigation de la biologie moléculaire qui ont finalement répondu à cette question centrale. Intrigués par la présence de séquences non codantes au sein d’un fragment d’ADN les biologistes ont découvert une multitude de fonctions de modulation de l’expression des gènes puis lors de la transcription de l’ADN en ARN messager un niveau de remaniement permettant au final à un gène de coder pour plusieurs protéines. Comme le montre l’illustration ci-dessous tirée du magazine Quantum chaque enchainement polypeptidique final peut ne pas remplir des fonctions identiques.

L’autre niveau d’interaction des protéines entre elles au sein d’une cellule va permettre alors une différenciation de cette dernière et enfin l’interaction cellule-cellule qui fait également intervenir des protéines conduira à des organes différenciés. C’est la complexité de l’ADN humain qui finalement a rendu possible cette différence entre le ver nématode et l’être humain que nous sommes. L’équipe du Docteur Vidal au Dana-Farber Institute à Boston a examiné 1500 gènes humains et les produits protéiques de ces gènes. Il est apparu qu’un tiers de ces gènes codaient pour au moins deux protéines « soeurs » différentes bien que possédant des analogies de séquences élevées. En étudiant alors les interactions protéine-protéine de ces protéines soeurs avec 15000 autres protéines, les biologistes se sont rendu compte que seulement 21 % d’entre elles interagissaient de manière identique avec ces autres protéines.

À la vue de tels résultats il paraît évident que la régulation du niveau d’expression d’une protéine peut orienter radicalement la fonctionnalité d’une cellule. La biologie moléculaire n’en est donc qu’à ses débuts dans la compréhension de la complexité du monde vivant car tout semble beaucoup plus compliqué que le dogme « un gène-une protéine » …

Inspiré d’un article paru dans Quantum