hérédité


Transmission des caractères génétiques des parents à leurs descendants.
C'est à un moine tchèque de Brno (Moravie), Gregor Mendel, qu'on doit une contribution décisive à la compréhension des mécanismes de l'hérédité. Pendant 8 ans à partir de 1856, Mendel fit des croisements entre des lignées de pois (les « pois de Mendel ») et en dégagea les lois qui portent son nom. Il présenta les résultats de ses travaux oralement en 1865, puis les publia en 1866. Mais ses résultats passèrent largement inaperçus, et c'est seulement à partir de 1900 qu’ils furent redécouverts – de façon indépendante – par trois botanistes : Hugo De Vries, Carl Correns et Erich Von Tschermak. C’est en raison de l’antériorité des découvertes de Gregor Mendel que les lois de l’hérédité sont appelées lois de Mendel.
Les expériences de Mendel
Protocole expérimental

Dans un premier temps, Mendel sélectionna des lignées de pois de race pure, c'est-à-dire des pois dont tous les descendants présentent de façon constante le même profil pour un caractère donné. Une telle plante offrait en outre quelques avantages tels qu'une culture aisée et une facilité de protection contre la fécondation par les pollens de plants non sélectionnés.
Il s'intéressa à 22 variétés de pois, et plus particulièrement à 7 caractères héréditaires : la forme des graines mûres (lisse ou ridée), leur couleur (jaune ou verte), la coloration de leur enveloppe (blanche ou grise), la forme des gousses mûres (rectiligne ou présentant des constrictions), la couleur des gousses à maturité (jaune ou verte), la position des fleurs (axiale ou apicale) et la longueur des tiges (courte ou longue).
Les expériences permettant d'analyser les règles de transmission d'un seul caractère sont aujourd'hui appelées « expériences de monohybridisme » ; les résultats les plus célèbres de Mendel concernent la transmission de la couleur et de la forme des pois.
Mendel réalisa toutes ses expériences selon un protocole rigoureusement identique : aussitôt après la formation des boutons de fleur, il coupait les étamines des plants dont il voulait contrôler la descendance pour éviter le phénomène d'autopollinisation. Pour supprimer tout risque de pollinisation croisée, il enveloppait chaque fleur dans un petit sac en papier.
Expérience sur la transmission d’un seul caractère

Lors d'une première expérience, il féconda une fleur dont le plant était issu de pois à graines lisses avec le pollen d'une fleur dont le plant donnait normalement des pois à graines ridées. Il procéda également, avec une rigueur toute scientifique, à la fécondation inverse : par dépôt du pollen de plants à graines lisses sur le pistil de fleurs provenant d'un plant à graines ridées. Les résultats étaient semblables quel que soit le sens du croisement.
Lors de la première génération (notée conventionnellement F1), tous les descendants, c'est-à-dire toutes les graines de pois produites par les plantes, avaient un aspect lisse : on dit qu'elles sont de phénotype (caractère apparent) « lisse ». Le caractère « ridé », pourtant présent chez l'un des parents, n'apparaissait chez aucun des descendants (loi d’uniformité des hybrides de première génération) ; il semblait avoir complètement disparu. Toutefois, parmi les descendants de seconde génération (F2), obtenus par croisement des plants de première génération, Mendel compta 5 474 graines lisses et 1 850 graines ridées : le caractère « ridé » était réapparu dans une proportion de 1 pour 3. Ainsi, sur quatre individus de F2, trois sont de phénotype « lisse » et un est de phénotype « ridé ». Une conclusion s'imposa alors : le caractère « ridé » devait être porté par les individus de la F1, mais il ne s'exprimait pas : il est récessif, l’autre étant dominant.
Expérience sur la transmission de deux caractères
Mendel conduisit ce type de recherches en analysant la transmission simultanée de deux caractères – la forme des pois et de leur couleur – au cours de générations successives (expériences de dihybridisme). Après croisement de pois jaunes et lisses avec des pois verts et ridés, les individus de la première génération sont tous jaunes et lisses. Ce résultat impose la constatation suivante : le caractère « jaune » et le caractère « lisse » sont tous deux dominants. Après croisement des individus de la F1, Mendel obtint toutes les combinaisons possibles entre les différents allèles, dans des proportions comparables à chaque expérience : sur 16 pois, il en compta 9 lisses et jaunes, 3 lisses et verts, 3 ridés et jaunes pour 1 vert et ridé. Le fait que, dans la F2, on trouve des pois ridés et jaunes, ainsi que des pois lisses et verts montre que les caractères « jaune » et « lisse », associé en F1, ne sont pas liés l’un à l’autre. Il en déduisit que la transmission de chacun de ces caractères se fait indépendamment (loi de ségrégation indépendante des caractères).
Les lois de transmission des caractères héréditaires
→ lois de Mendel
Les chromosomes, supports de l’hérédité
C’est Thomas Hunt Morgan et son équipe qui, entre 1910 et 1915, établissent la théorie chromosomique de l’hérédité : les gènes sont des entités physiques, constituées d’ADN et alignées sur les chromosomes, éléments du noyau cellulaire visibles à un certain stade de la mitose (division cellulaire). Après la division d'une cellule, la répartition des chromosomes dans les cellules filles se fait au hasard.
Chromosomes, autosomes et chromosomes sexuels
Chez l'être humain, le noyau de chaque cellule contient 44 chromosomes homologues (regroupés par paires), appelés chromosomes autosomes, et deux chromosomes sexuels : les chromosomes sexuels de la femme sont identiques et traditionnellement désignés par les lettres XX. Les chromosomes sexuels de l'homme sont différents et désignés par les lettres XY.
La molécule de l'hérédité
Un chromosome est constitué par deux molécules d'A.D.N. en forme d'hélice, associées à des protéines. L'A.D.N. est le support de l'hérédité. Sa molécule comporte des segments correspondant chacun à un caractère héréditaire déterminé (la couleur des yeux, par exemple). Cet élément du chromosome, porteur d'un caractère héréditaire, s'appelle un gène. Chaque chromosome contient plusieurs milliers de gènes. Toutes les cellules d'un même organisme contiennent exactement les mêmes gènes car elles sont issues d'une même cellule qui provient de la réunion d'un ovule et d'un spermatozoïde lors de la fécondation.
Dominance et récessivité
Selon les lois de l'hérédité, un caractère génétique est dominant ou récessif.
Un caractère dominant (tel le caractère « yeux bruns ») se manifeste chez l'enfant même s'il n'est transmis que par un seul des deux parents. Il s'exprime même s'il existe un autre caractère (« yeux bleus ») sur le chromosome homologue.
Un caractère récessif (le caractère « yeux bleus », par exemple) doit être transmis par les deux parents pour se manifester chez l'enfant. Il ne peut s'exprimer que s'il est porté par les deux gènes homologues.
L'hybridation réalisée par Johann Mendel entre des variétés de pois illustre cette différence : le croisement entre pois lisses et pois ridés donne toujours à la première génération (F1) des pois lisses exclusivement. Ce n'est qu'à la deuxième génération (F2) que le caractère ridé réapparaît. Le caractère lisse est un caractère dominant, le caractère ridé, un caractère récessif.
Chaque gène est présent chez un individu en deux exemplaires (un sur chacun des deux chromosomes homologues d’une paire). De plus, chaque gène existe en plusieurs versions, appelées allèles . Lorsque, pour un caractère donné, un allèle récessif et un allèle dominant sont présents, seul l’allèle dominant est en mesure de s'exprimer. Mais lorsque la fécondation met en présence deux allèles récessifs, c'est le caractère récessif qui s'exprime.
Des expériences comparables à celles de Mendel sur le pois ont été réalisées avec des fleurs, les belles-de-nuit, et ont permis d'observer l'apparition d'un caractère intermédiaire en F1, qui se maintient en F2.
Si l'on croise, comme dans les expériences précédentes, les individus de variétés pures de belles-de-nuit à fleurs blanches et à fleurs rouges, tous les descendants de F1 sont roses : le caractère blanc et le caractère rouge s’expriment tous les deux, à part égale. On dit que ces caractères sont codominants.
Des expériences menées sur les capacités d'expression d'un grand nombre de gènes différents ont montré que tous les degrés d'expression, de la dominance complète à la récessivité absolue, peuvent être rencontrés.
Hétérozygotie et monozygotie
Lorsque, pour un caractère donné, un individu est porteur des deux allèles différents du même gène, il est dit hétérozygote pour ce gène ; lorsqu'il est porteur de deux allèles identiques, il est dit homozygote pour ce gène. Un individu peut être homozygote pour un gène et hétérozygote pour un autre ; toutes les combinaisons sont possibles pour chacun des gènes de chaque espèce (qui se comptent par milliers, voire dizaines de milliers [le génome humain renferme ainsi quelque 30 000 gènes]).
La détermination du sexe
C’est en 1905 que deux chercheurs, Edmond Wilson et Nettie Stevens, travaillant chacun sur un insecte, firent – indépendamment – la découverte de l’existence d’une différence morphologique majeure dans deux chromosomes qu’ils attribuent à la détermination du sexe : la femelle possède deux chromosomes en forme de X, alors que le mâle n'en possède qu'un ; en revanche, il possède un chromosome unique (non apparié) qui n'a pas d'équivalent chez la femelle et qui a la forme d'un Y (ainsi, chez de nombreuses espèces, dont l’homme, la femelle est XX, et le mâle XY).
Reproduction des cellules
Les cellules de notre corps, comme les êtres vivants les plus simples, telles les bactéries, se reproduisent par division cellulaire. Mais le mécanisme de la division n'est pas le même pour les cellules sexuelles que pour les autres cellules de l'organisme.
Une cellule mère non sexuelle se divise selon un processus appelé mitose et donne ainsi naissance à deux cellules filles qui ont un nombre de chromosomes et de gènes identique à celui de la cellule mère.
La cellule sexuelle, ou gamète, résulte d'un processus de division particulier, la méiose. Celle-ci, qui ne se produit que dans les ovaires et les testicules, conduit à la formation de cellules qui ne contiennent chacune que la moitié du matériel génétique présent dans les autres cellules, soit 23 chromosomes, dont un chromosome sexuel : X pour l'ovule, X ou Y pour le spermatozoïde.
La rencontre d'un ovule et d'un spermatozoïde lors de la fécondation forme une cellule qui contient à nouveau 46 chromosomes, 23 provenant du père et 23 de la mère. Les deux chromosomes sexuels seront soit XX (une fille), soit XY (un garçon).
Hérédité autosomique et hérédité liée au sexe

Certains caractères et certaines maladies peuvent être transmis par les parents aux enfants soit par les chromosomes non sexuels, ou autosomes – on parle alors d'hérédité autosomique –, soit par les chromosomes sexuels : on parle alors d'hérédité liée au sexe.
Le principe de l'hérédité autosomique d'un caractère dominant se manifeste par exemple dans la syndactylie, malformation héréditaire à transmission autosomique qui se manifeste chez un sujet par la fusion de doigts ou d'orteils. Le gène D porteur du caractère « syndactylie » est dominant. Lors de la fécondation, selon le spermatozoïde et l'ovule en présence, les chromosomes concernés, pouvant chacun porter le gène D ou le gène d (récessif), se réunissent selon une combinaison donnée parmi quatre possibilités : gène D du père et gène D de la mère (DD), gène D du père et gène d de la mère (Dd) ; gène D de la mère et gène d du père (Dd), gène d de la mère et gène d du père (dd). Seul le descendant présentant l'association dd ne porte pas le gène D de la maladie. La syndactylie des parents se retrouvera chez trois descendants sur quatre, ce qui prouve qu'il suffit d'un seul gène D dans le chromosome pour que l'anomalie s'exprime chez l'individu.
Le principe de l'hérédité liée au sexe peut être illustré par l'hémophilie.
X et Y sont les chromosomes sexuels sains transmis à un garçon. Le chromosome x' est le chromosome sexuel porteur du gène récessif de l'hémophilie.
Lors de la fécondation, selon le spermatozoïde et l'ovule en présence, les chromosomes sexuels associés formeront l'une des quatre combinaisons possibles suivantes : chromosome X du père et chromosome x' de la mère (Xx') ; chromosome X du père et chromosome X de la mère (XX) ; chromosome x' de la mère et chromosome Y du père (x'Y) ; chromosome X de la mère et chromosome Y du père (XY).
Seuls les descendants ayant les chromosomes XX (femme saine) et XY (homme sain) ne sont pas porteurs de la maladie. Le gène de l'hémophilie est présent chez les descendants Xx' et x'Y, qui peuvent le transmettre. Cependant, sauf de très rares exceptions, la maladie ne se développera pas chez le sujet Xx' (une femme porteuse de l'hémophilie), car le chromosome x', récessif et porteur de la maladie, ne pourra s'exprimer en présence d'un chromosome homologue X sain. En revanche, le sujet x'Y (un homme hémophile) développera la maladie : les deux chromosomes homologues étant des chromosomes sexuels ne portant pas le même caractère, l'un ne peut empêcher l'autre de s'exprimer.
Les maladies héréditaires
Les maladies héréditaires sont dues à la mutation d'un gène, c'est-à-dire à l'altération de l'information qu'il porte. Cette information regroupe les instructions qui définissent l'élaboration et le rôle d'une protéine. Lorsque le gène mute, la protéine élaborée est modifiée, elle s'écarte de sa fonction normale ou ne peut pas jouer son rôle, ce qui cause une pathologie particulière tranmissible de génération en génération.
Victor Almon Mac Kusick, généticien américain né en 1923, a répertorié plus de 5 000 maladies génétiques.

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Un souffle de vie dans l’enfer de Dallol

12.10.2016, par Grégory Fléchet
Dallol, formations hydrothermales Le site éthiopien de Dallol est façonné par les remontées d'eaux chaudes du système hydrothermal.
 O.GRUNEWALD

En janvier, des scientifiques partaient en mission sur le site hydrothermal de Dallol, dans le nord de l’Éthiopie. Contre toute attente, ils ont découvert des traces de vie dans cet environnement extrême. Retour sur cette expédition à l’occasion de la diffusion d’un documentaire diffusé dimanche prochain.
Découvrir pour la première fois le site de Dallol, c’est un peu comme débarquer sur une autre planète : sources chaudes acides, concrétions soufrées d’un vert phosphorescent, geysers d’où s’échappent des vapeurs de gaz toxique, mares saumâtres composent cet environnement unique au monde. Situé au nord-est de l’Éthiopie, à quelques kilomètres de la frontière avec l'Érythrée, Dallol s’apparente à un dôme d’une quinzaine de kilomètres carrés façonné par les remontées d'eaux chaudes du système hydrothermal. Le site repose en outre sur une couche de sel de 2 000 mètres d’épaisseur en plein cœur de la dépression Danakil, région parmi les plus chaudes et arides de la planète. Difficile d’imaginer que la vie a pu élire domicile en un lieu aussi inhospitalier. C’est ce qu’est pourtant parvenue à démontrer pour la première fois une équipe de scientifiques internationale1.

Des records de salinité, d'acidité et de température

En janvier 2016, ce groupe constitué de microbiologistes, de géologues et de cristallographes arpente le site deux semaines durant2. Leur objectif : prélever un maximum d’échantillons (eaux salées, fluides hydrothermaux et acides, encroutements, etc.) et mesurer les paramètres physico-chimiques dans les vasques et les geysers qui jalonnent le site. Très vite, les scientifiques sont frappés par les niveaux de saturation en sel relevés. Dans certaines mares saumâtres il avoisine les 50 %, soit un taux de salinité deux fois plus élevé que celui de la mer Morte. Il en va de même du pH qui bat ici tous les records d’acidité, et de la température qui dépasse régulièrement les 100°C à la sortie des geysers.

Collecte d'échantillons par les scientifiques (ici, Purificación López-García et Ludwig Jardillier). Certaines mares affichent un taux de salinité deux fois plus élevé que celui de la mer Morte.
 O.GRUNEWALD

« Le caractère exceptionnel de Dallol tient en grande partie à la coexistence de ces trois paramètres extrêmes au sein d’un même environnement », souligne Purificación López-García, directrice de recherche CNRS au laboratoire Écologie, systématique et évolution3 d’Orsay et coordinatrice de la mission avec David Moreira, également directeur de recherche au CNRS et membre de son équipe. Pour cette spécialiste des micro-organismes des milieux extrêmes, Dallol pourrait aussi constituer un milieu analogue aux environnements présents sur Terre il y a plus de 3,5 milliards d’années, lorsque la vie fit son apparition : « Dallol fait en quelque sorte figure de modèle scientifique à ciel ouvert pour comprendre le fonctionnement de notre planète à une époque où la géologie dominait encore la biologie. »

Les investigations se poursuivent en laboratoire

De retour à l’université Paris-Sud d’Orsay, la biologiste se consacre immédiatement à l’étude des nombreux prélèvements ramenés d’Éthiopie. Les premières analyses révèlent la présence de micro-organismes dans certains d’entre eux. Grâce au microscope électronique, les scientifiques parviennent par ailleurs à repérer de très petites cellules dans quelques échantillons. Il s'agit d'archées, organismes unicellulaires qui ressemblent aux bactéries sur le plan morphologique, dont une bonne partie affectionne les milieux extrêmes comme les sources hydrothermales des dorsales océaniques. « La taille étonnamment réduite des cellules d’archées que nous avons identifiées dans nos prélèvements est sans doute la conséquence d’une adaptation à un milieu très pauvre en ressources énergétiques », précise Purificación López-García.


Parallèlement à ces observations, les chercheurs réussissent à cultiver une poignée de micro-organismes en laboratoire. Ils parviennent ainsi à démontrer que l’une des archées identifiées est capable de se développer dans un milieu à la fois sursaturé en sel et très acide. Ce résultat surprenant est pourtant loin de refléter la diversité du bestiaire microscopique de Dallol, la plupart des organismes unicellulaires étant en effet résistants à la culture in vitro. « D’autres études, toujours en cours, reposant à la fois sur l'analyse de gènes permettant de discriminer chaque espèce de bactérie ou d’archée et sur celle de leurs génomes, vont nous permettre de mesurer cette diversité et de déterminer les adaptations moléculaires développées par chacun de ces organismes », détaille la chercheuse du CNRS. Les premières conclusions de cette analyse d'ADN environnemental attestent d’ores et déjà que certains des micro-organismes découverts à Dallol sont très proches, sur le plan génétique, de ceux vivant dans les saumures au voisinage des sources chaudes localisées au fond de la mer Rouge et de la Méditerranée. « Cela renforce l’hypothèse très répandue selon laquelle des conditions physico-chimiques comparables conduisent à des adaptations similaires de la part des micro-organismes », assure Purificación López-García.

Un site géologique vivant mais menacé

Si la présence de la vie à Dallol ne fait aujourd’hui plus aucun doute, le site hydrothermal est loin d’avoir dévoilé tous ses secrets. Une nouvelle expédition pourrait d’ailleurs être organisée dans les prochains mois afin de réaliser des prélèvements dans les secteurs encore inexplorés du dôme. Les chercheurs comptent également pratiquer des analyses isotopiques sur des fluides enrichis en hydrocarbures qui les ont particulièrement intrigués lors de leur première visite « Nous voulons vérifier si cette matière organique est entièrement d'origine biologique ou si une partie est au contraire issue de l'activité hydrothermale, explique Purificación López-García. Auquel cas, l'environnement de Dallol présenterait également un intérêt pour explorer les conditions possibles de l'apparition de la vie sur Terre. »

Dallol, formations hydrothermales La poussière de soufre contenue dans le sol s'échauffe parfois et décharge ces flammes bleues caractéristiques.
 O.GRUNEWALD
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Retourner au plus vite à Dallol c’est aussi le souhait du réalisateur Olivier Grunewald. Pour ce photographe passionné de volcanologie, à l’initiative de la mission de janvier 2016, il y a urgence à mieux connaître et protéger ce site exceptionnel. « Nous avons réalisé ce documentaire pour faire connaître Dallol du grand public mais aussi pour interpeller les autorités éthiopiennes sur la nécessité de le protéger alors qu’un projet d’exploitation de la potasse, présente en abondance dans le sous-sol de la région, est en passe de voir le jour. » Les scientifiques redoutent en effet que l’extraction à grande échelle de ce minerai perturbe le fonctionnement du système hydrothermal de Dallol et finisse par conduire à son asséchement. Pour éviter que ce site unique au monde ne disparaisse, Olivier Grunewald et l’équipe de chercheurs réunie autour de Purificación López-García veulent désormais convaincre le gouvernement éthiopien de proposer son classement au Patrimoine mondial de l'Unesco.

   

A voir : Le documentaire « Dallol, aux frontières de la vie », réalisé par Olivier Grunewald (Production Camera Lucida/ Ushuaïa TV, CNRS Images), sera.diffusé sur Ushuaïa TV, dimanche 16 octobre 2016 à 20h40. Voici la bonne-annonce de ce film :




Notes
1. Outre des chercheurs du laboratoire Ecologie, Systématique et Evolution, la mission a réuni des scientifiques du laboratoire d’études cristallographiques de l’Université de Grenade, de l’Institut géologique et minéral d’Espagne, de l’Université autonome de Madrid et de l’institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie de Paris (CNRS/Université Pierre et Marie Curie/MNHN/IRD).
2. Le projet a été financé par la Fondation Iris dont l’objectif est de promouvoir la préservation de l’environnement
3. Unité CNRS/Université Paris-Sud /AgroParisTech

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La biologie de synthèse face à la complexité du vivant

La complexité du vivant, perçue comme verrou pour la biologie de synthèse, suscite des points de vue différents entre les chercheurs.
In EnglishPar Pascale Mollier, rapport OPECST de février 2012 MIS À JOUR LE 08/12/2014PUBLIÉ LE 10/10/2014 MOTS-CLÉS : BIOTECHNOLOGIE - GENOME - SOCIOLOGIE - SCIENCES SOCIALES - BIOLOGIE DE SYNTHÈSE
Robot de la plateforme de clonage-phénotypage haut débit de l'unité Métagenopolis et MICALIS.. © Inra, NICOLAS Bertrand
© Inra, NICOLAS Bertrand
Quelques données permettent de mesurer la complexité du système cellulaire humain : environ 23 000 gènes, six transcrits par gène, exprimés différemment selon les fonctions de la cellule, 60 000 milliards de cellules, des centaines de milliers d’interactions qui se déroulent dans chacune d’elles (1).
Emergence et orthogonalité
La complexité du vivant induit la notion d’émergence, qui caractérise les systèmes vivants. C’est-à-dire que le passage d’une échelle à l’autre, celle des molécules à celles des cellules par exemple, fait apparaître des propriétés nouvelles et inattendues, qui empêchent de manipuler un système complexe de manière prévisible.
A l’opposé de la notion d’émergence, se trouve la notion d’orthogonalité, qui provient de l’informatique. Cette dernière désigne la propriété que possède un système de ne pas être affecté par la modification d’un de ses composants. Par exemple, ajuster le rétroviseur d’une voiture n’affecte pas la conduite. Appliquée au vivant, cette notion le décrit, au moins de façon provisoire ou partielle, comme un ensemble de sous-systèmes autonomes disjoints. Une vision qui s’oppose, selon certains biologistes, aux disciplines en « omiques » (génomique, transcriptomique, protéomique, métabolomique), qui véhiculent l’idée que le vivant serait un système d’interactions complexes.
La biologie de synthèse, qui intègre la notion d’orthogonalité, se distingue des disciplines en « omiques » et affirme ainsi son identité scientifique originale.
« Je déteste les propriétés émergentes »
 Drew Endy, un des leaders du domaine, est certainement, parmi les ingénieurs, celui qui a contesté le plus vivement le recours à la notion de complexité du vivant comme facteur limitatif de l’évolution et de la pertinence même des recherches en biologie de synthèse. Il déclare en 2008 : « Je déteste les propriétés émergentes. J’aime la simplicité. Je ne veux pas que l’avion que je vais prendre demain révèle des propriétés émergentes durant son vol. »(2). Il écrit également en 2011 (3) : « Nous nous lançons avec cette idée naïve que nous pourrions mettre en œuvre une hiérarchie de l’abstraction (4) nous permettant de gérer la complexité des systèmes biologiques. Le but serait qu'un opérateur puisse associer E. coli à une odeur (5), sans qu'il lui soit nécessaire de savoir que l’ADN est constitué de 4, 6 ou 8 paires de bases, ni de connaître les modalités selon lesquelles on peut le synthétiser. » Dans cette mouvance, les chercheurs s’intéressent de plus en plus au contrôle et à la régulation, notamment via l’ARN, principalement pour contrôler l’influence des processus biologiques émergents. Les articles les plus cités dans ce domaine émanent de chercheurs appartenant à des institutions fondées ou dirigées par Drew Endy, dont le credo est « To make biology easier to engineer ».
 La complexité : un défi réel qui n’empêche pas les progrès de la recherche
Le National Research Council (6) pointe l’importance d’acquérir de nouvelles connaissances. Il rappelle qu’au moins un quart des gènes identifiés dans les génomes bactériens sont hypothétiques ou de fonctions inconnues. Son rapport de 2010 relève que : « la communauté scientifique n’a pas les connaissances suffisantes pour créer une nouvelle forme de vie qui soit viable, ni même un virus ». Un autre article récent (7) analyse les difficultés actuelles à anticiper le fonctionnement des organismes synthétiques. Dans son rapport de 2014, le Comité d’éthique de la recherche agronomique, quant à lui, préconise « de renoncer à tout triomphalisme affirmant que le vivant peut être rendu calculable et prédictible par abstraction du contexte évolutif qui lui a donné naissance.» Le Comité d’éthique souligne cependant que de nouvelles approches combinent la démarche d’ingénierie avec la sélection naturelle, en soumettant les organismes porteurs de génomes synthétiques à la sélection par le milieu (8) : « certaines équipes en biologie de synthèse sont d’ores et déjà engagées dans le développement d’outils – de type “haut débit” - combinant avec une grande efficacité mutations et sélections, amplifiant et accélérant la production d’organismes porteurs de génomes synthétiques hautement adaptés à des milieux choisis. »
 Ainsi, que ce soit en biologie moléculaire ou en biologie de synthèse, la notion de complexité ne décourage pas les chercheurs qui produisent des connaissances génériques même s’ils ne sont pas encore parvenus à synthétiser un organisme entier. Grâce à la construction de circuits génétiques simples, les biologistes de synthèse ont progressé dans la programmation du comportement cellulaire et sont parvenus à une meilleure compréhension des principes gouvernant le fonctionnement des réseaux naturels.
 
(1) Exposé de Marie Montus, du Généthon d’Evry, lors du «Colloque sur la biologie intégrative : une nouvelle lecture des pathologie », Les Transversales santé, 18 septembre 2007
(2) Interview sur le site d’Edge – The third Culture, 2008.
(3) Drew Endy, «Building a New Biology», Comptes Rendus de l’Académie des Sciences, T.14, fascicule 4, 2011,
(4) Cette notion reflète l’assemblage de systèmes complexes non biologiques à partir de sous-systèmes orthogonaux.
(5) Drew Endy mentionne précédemment dans l'article des expériences d'insertion d'ADN conduisant la bactérie E. coli à dégager une odeur de banane ou de menthe.
(6) Le National Research Council est une institution qui rassemble les académies nationales des États-Unis. Son rapport de 2010 est intitulé : Sequence Based Classification of Select Agents.
(7) Cardinale, S. and Arkin, A. P. (2012). Contextualizing context for synthetic biology - identifying causes of failure of synthetic biological systems.Biotechnology journal,7(7),856-66. doi:10.1002/biot.201200085.
(8) D’après Ferry, M. S., Hasty, J. & Cookson, N. A. (2012). Synthetic biology approaches to biofuel production.Biofuels,3(1),9-12. BioCircuits Institute, University of California, San Diego, CA, United States.
LE STATUT DU VIVANT
Le vivant artificiel est-il encore du vivant ? Ne risquons-nous pas d’être envahis par des êtres artificiels qui se font passer pour du vivant, mais n’en sont pas ? Selon la pensée de Descartes, les organismes vivants synthétiques appartiennent à la même catégorie d’êtres que les produits de l’évolution biologique : nous ne produisons pas une nouvelle nature. La distinction entre l’artificiel et le naturel se situerait dans la finalité. Finalité intrinsèque pour les organismes naturels, qui ont la propriété de matérialiser leurs fins propres (croître, s’adapter, se reproduire, etc.), finalité extrinsèque pour les organismes synthétiques, entièrement contrôlés par la volonté humaine. En arrachant ainsi des êtres vivants à leur histoire propre, pour les incorporer dans la seule histoire humaine, la biologie de synthèse se distingue de la domestication et de l’amélioration génétique, qui introduit dans les sociétés humaines des organismes porteurs de leur histoire propre.
 D’après l’Avis du Comité d’éthique pour la recherche agronomique, janvier 2014.

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Texte de la 431e conférence de l'Université de tous les savoirs donnée le 10 juillet 2002

Sylvie Mazan, « Evolution et Développement : la rencontre de deux logiques pour le vivant »

Dans le domaine des sciences humaines, la compréhension d'une société et de son fonctionnement implique des approches multiples, visant par exemple à la replacer dans un contexte géographique, économique ou culturel et les contraintes qu'il implique. Mais ces analyses ne sauraient exclure une approche historique, retraçant à la fois son origine et les changements qui l'ont modelée au cours du temps. Il en est de même dans le cas du monde vivant. Ainsi, chez les animaux, la morphologie qui caractérise une espèce peut être comprise sous des aspects multiples (adaptation à un contexte écologique ou environnemental, résultat des processus génétiques et cellulaires complexes qui ont lieu au cours de l'embryogenèse). Mais elle est également le résultat d'une évolution, difficilement prévisible, dont il est particulièrement intéressant de retracer les étapes. Une telle approche s'inscrit donc dans une démarche de type historique. Au cours des vingt dernières années, la biologie moléculaire et la génétique du développement ont fourni, de façon inattendue, des outils nouveaux pour comprendre l'évolution des espèces. Elles ont conduit à l'émergence d'une nouvelle discipline, située à l'interface entre la génétique du développement et les sciences de l'évolution, et souvent appelée "Evo-Devo" par les spécialistes. Le but principal des recherches conduites dans ce domaine est de comprendre l'évolution des formes au sein du monde vivant, en retraçant l'histoire évolutive des gènes qui contrôlent la morphogenèse au cours du développement embryonnaire. Comme on le verra plus loin, ce type d'approche pourrait également permettre de relever d'autres enjeux, tout aussi importants.

Evolution et développement : un lien ancien longtemps oublié

L'idée de rapprocher les sciences de l'évolution et l'étude du développement embryonnaire n'est pas neuve. Elle trouve ses origines dès le début du XIXe siècle, alors que la théorie de l'évolution n'est pas encore publiée. Ainsi, le grand embryologiste Karl Ernst Von Baer, découvreur de l'Suf des mammifères mais également de la notochorde, structure embryonnaire qui caractérise un grand groupe de métazoaires incluant les vertébrés, propose à travers quatre grands principes, "Les Lois de Von Baer", une classification des espèces sur la base de leurs caractéristiques embryonnaires. Pour lui, les caractères généraux caractérisant un taxon donné apparaissent à des stades précoces du développement, alors que les caractères spécialisés d'un sous-groupe, voire d'une espèce, se mettent en place à des étapes tardives de l'embryogenèse. Ce scénario se traduit donc par des ressemblances entre embryons précoces, et cela même chez des espèces phylogénétiquement très éloignées comme l'ensemble des métazoaires, les différences s'accumulant ensuite au cours du développement pour aboutir à des morphologies potentiellement très divergentes. Dans cette vue, l'embryon d'une espèce donnée ne passe jamais par les stades adultes d'une espèce considérée comme "inférieure" (cette notion de hiérarchie entre espèces étant bien sûr aujourd'hui totalement abandonnée), mais en diverge de plus en plus au cours de son développement. La conception de Von Baer est assez proche de notre vision moderne en ce qu'elle n'implique pas de hiérarchie entre taxa au sein du monde vivant, mais plutôt une divergence à partir d'un "type" commun qui fonde l'unité du groupe. Sa faiblesse réside cependant en l'absence de mécanisme expliquant cette unité, dont nous savons aujourd'hui qu'elle est liée à une ascendance commune au cours de l'évolution. Par ailleurs, l'idée d'une conservation préférentielle des mécanismes mis en jeu précocement au cours du développement reste difficile à évaluer. Une conception radicalement différente est défendue dans la deuxième moitié du XIXe siècle par un courant de pensée dont le chef de file est Ernst Haeckel. Souvent résumée par la formule célèbre "l'ontogénie récapitule la phylogénie", cette conception intègre la notion d'évolution mais soutient l'idée selon laquelle ces organismes évoluent par l'addition de nouveaux stades de développement aux formes adultes d'espèces "inférieures". Elle aboutit ainsi à une vision hautement hiérarchisée du monde vivant qui rejoint finalement l'échelle aristotélicienne des êtres et une conception gradiste de l'évolution, qui modèlerait les espèces "supérieures" par complexification d'espèces inférieures. Ces vues sont aujourd'hui totalement abandonnées. En dépit de ces difficultés et des contradictions présentes dans ces visions du monde qui s'affrontent, l'idée d'un lien fort entre l'évolution et le développement embryonnaire est donc présente dès la fin du XIXe siècle. Charles Darwin l'exprime particulièrement clairement à travers les deux citations suivantes, extraites de L'origine des espèces "Embryology is to me by a the strongest class of facts in favor of change of forms" ou "Community of embryonic structures reveals community of descent"m.

Fondements techniques et conceptuels

Jusqu'aux années 1980, l'intérêt pour les relations entre évolution et développement va connaître une longue éclipse. C'est pourtant au cours de cette période que se mettent en place des outils techniques et conceptuels essentiels pour l'émergence de la discipline "Evolution -Développement". Ces avancées concernent trois domaines, bien séparés pendant la majeure

partie du XXe siècle, la génétique formelle, l'embryologie expérimentale et la cladistique. De façon indiscutable, l'essor récent de la génétique du développement a joué un rôle considérable dans l'intérêt renouvelé que suscitent aujourd'hui les relations entre évolution et développement. La caractérisation dans les années 1980 des gènes qui contrôlent la morphogenèse fournit en effet une base nouvelle pour des comparaisons à très grande échelle évolutive, entre taxa, mais aussi entre des espèces relativement proches, voire entre sous-populations d'une même espèce. Par ailleurs, à cette époque les outils conceptuels nécessaires à des comparaisons rigoureuses ont été mis en place, notamment sous l'impulsion de Willi Hennig. Les principes posés par ce dernier -base strictement généalogique pour les regroupements ; principe de parcimonie - restent aujourd'hui valides, même si les outils méthodologiques, mathématiques ou probabilistes, ont été considérablement améliorés. La rencontre entre évolution et développement n'aurait pu avoir lieu sans ces outils, indispensables aux analyses et aux comparaisons de séquences. Enfin, les progrès récents de la biologie moléculaire ont également constitué un facteur important dans l'essor de la discipline "Evolution-Développement". En particulier, l'utilisation de l'amplification génique ("Polymerase Chain Reaction") et la mise au point de techniques permettant de visualiser rapidement un domaine d'expression génique chez l'embryon ouvrent la possibilité d'étudier les "gènes de développement" chez un spectre très large d'espèces, choisies pour leur intérêt en termes évolutifs, et non chez les seuls organismes modèles, drosophile ou nématode chez les protostomiens, oursins, ascidies et vertébrés chez les deutérostomiens.

Des gènes conservés à très grande échelle évolutive : à la recherche des origines

Une des plus grandes surprises de la génétique du développement a émergé de la comparaison entre deux organismes dont les morphologies sont a priori fort distantes, la mouche et la souris. Très vite, il est en effet apparu que les acteurs moléculaires impliqués dans le contrôle du développement embryonnaire - facteurs de transcription, voies de signalisation, protéines de structure - sont conservés entre insectes et vertébrés. Bien plus, les gènes codant pour un grand nombre de facteurs de transcription interviennent dans des processus très similaires : morphogenèse de l'Sil dans le cas des gènes à homéodomaine Pax6 ; spécification de l'identité de segments dans le cas des gènes du complexe Hox ; régionalisation du cerveau dans le cas des gènes Otx ou Emx ; formation du cSur dans le cas du gène tinman. En accord avec la conservation en séquence primaire de ces protéines, les régions codantes sont même souvent très largement interchangeables entre des espèces très éloignées, comme la mouche, la drosophile et la souris. Ainsi, chez la drosophile, une des façons de mettre en évidence le rôle du gène Pax6 dans la morphogenèse de l'Sil est d'induire artificiellement son expression dans des populations cellulaires dans lesquelles il n'est normalement pas transcrit : on obtient alors l'apparition de structures visuelles -ou simplement - photoréceptrices - à des localisations surprenantes comme la patte ou l'extrémité des antennes. Or, il s'avère que le même effet est obtenu avec des séquences codantes de poulpe ou de souris ! Que signifient ces expériences ? Elles démontrent d'abord et avant tout que les protéines d'insectes et de mammifères possèdent des propriétés biochimiques très similaires, et que les interactions moléculaires nécessaires à la formation d'un organe visuel sont largement conservées à très grande échelle évolutive. Mais elles poussent aussi parfois à des interprétations plus poussées - et plus hypothétiques -, comme des homologies d'organes entre phylums éloignés. Ainsi, dans le cas du gène Pax6 précédemment évoqué, les résultats obtenus ont conduit une partie de la communauté scientifique à soutenir l'idée que des organes visuels élaborés, dont dériveraient les yeux des insectes et des mammifères actuels, étaient déjà présents chez le lointain ancêtre commun des protostomiens et des deutérostomiens. Le même type d'arguments, étendu à d'autres mécanismes génétiques impliqués dans la formation du cerveau, du cSur ou la segmentation, a également conduit à émettre l'idée que ce lointain ancêtre commun présentait déjà un grand nombre des caractéristiques retrouvées chez les métazoaires actuels. Cette vue reste cependant un sujet de controverses et il n'est pas exclu que les homologies dont témoignent les similitudes des systèmes génétiques caractérisés chez les métazoaires concernent des mécanismes de différenciation cellulaire plutôt que des organes proprement dits.

Quels rapports entre diversification morphologique et diversification génétique ?

Si les systèmes génétiques et les processus développementaux qu'ils contrôlent présentent de telles similitudes chez les métazoaires, comment expliquer la diversité fascinante de formes, qui est observée au sein d'un taxon ? Les données actuelles suggèrent de multiples mécanismes, dont les contributions relatives restent à évaluer. Il est tout d'abord très clair que les territoires, ou les chronologies, d'expression des facteurs de transcription qui contrôlent l'ontogenèse peuvent varier de façon substantielle même entre espèces proches, ce qui pourrait contribuer de façon importante à la diversité morphologique. Un tel scénario a été remarquablement mis en évidence par l'étude d'un petit poisson présent près des côtes du Mexique, Astyanax mexicanus. Cette espèce compte plusieurs sous-populations vivant dans des habitats différents. L'une d'entre elles, qui réside dans des grottes sous-marines, donc un environnement dépourvu de lumière, est caractérisée par une atrophie complète des organes visuels. Dans ce cas, cette évolution morphologique apparaît clairement liée à la perte du territoire d'expression embryonnaire d'un gène qui code pour une protéine de signalisation, sonic hedgehog et il est intéressant de noter que ce changement est lié non seulement à une perte de fonction (vision) mais également à une augmentation en taille des mâchoires, susceptible de conduire à un avantage sélectif. Cet exemple de micro-évolution est particulièrement intéressant en ce qu'il permet de retracer un scénario évolutif proprement dit. S'il est souvent difficile de retracer les événements de modification/sélection vraisemblablement complexes qui ont eu lieu au cours de l'évolution, on peut cependant noter que de telles variations dans les profils d'expression des gènes qui contrôlent le développement embryonnaire ne sont pas rares. Dans certains cas, elles peuvent être corrélées à des changements morphologiques. Les gènes du complexe Hox qui, chez les mammifères comme chez les arthropodes, sont impliqués dans le contrôle génétique de l'identité des segments du corps, ont fourni un modèle particulièrement riche à cet égard. Ainsi, chez les amniotes, la colonne vertébrale est une structure osseuse clairement segmentée et les gènes Hox jouent un rôle essentiel dans le contrôle génétique de l'identité des vertèbres, cervicales, thoraciques, lombaires ou sacrées, qui la composent. Il se trouve que chez le python, dont le squelette axial est formé de centaines de vertèbres, ces dernières portent pour la plupart des côtes, et présentent donc en cela une identité thoracique. Ce changement est corrélé à des variations très claires des territoires d'expression de plusieurs gènes Hox impliqués dans la spécification thoracique, suggérant ainsi un lien possible entre une évolution morphologique et une évolution génétique. D'autres exemples de tels liens impliquant ce système génétique ont été proposés chez les arthropodes, dont les segments, porteurs ou non d'organes aux fonctions variées, comme des ailes, des pattes articulées, des balanciers, ou des pinces, présentent des caractéristiques morphologiques bien différentes selon le sous-groupe considéré.

Les changements au niveau des régions codantes, et donc des protéines codées par les "gènes de développement " fournissent un autre mécanisme moléculaire majeur, susceptible de modifier les programmes génétiques de l'ontogenèse au cours de l'évolution, et de contribuer ainsi à la diversité morphologique. Là encore, des différences claires des propriétés biochimiques de certaines protéines Hox, liées à l'acquisition de domaines structuraux bien identifiés, ont été décrites entre certains taxons comme les arthropodes et les onychophores qui sont des petits vers au corps segmenté, quelquefois appelés péri-pattes. Ces différences semblent pouvoir déterminer le nombre de segments porteurs de pattes chez certaines espèces, trois strictement chez les insectes, mais plusieurs dizaines chez les onychophores.

Les cascades d'événements moléculaires responsables de ces changements, mutations ponctuelles ou réarrangements chromosomiques, sont généralement mal connus. On pense cependant que certains remaniements génomiques, comme les duplications géniques, pourraient favoriser l'acquisition de nouvelles fonctions par les gènes qui contrôlent le développement embryonnaire, et donc l'apparition d'innovations morphologiques ou physiologiques. De fait, plusieurs grandes transitions au sein du règne animal (transition des diploblastes aux triploblastes, caractérisés par l'apparition du troisième feuillet embryonnaire, le mésoderme ; émergence des vertébrés) pourraient être associées à des duplications géniques massives. Toutefois, l'évolution des familles multigéniques fait l'objet de modèles très différents dans leurs conséquences et reste actuellement mal connue.

Analyse comparative et génétique : deux outils complémentaires pour comprendre les génomes ?

Comme on l'a vu précédemment, l'étude des relations entre évolution et développement repose essentiellement sur les comparaisons des mécanismes génétiques qui contrôlent le développement embryonnaire. La comparaison d'organismes très éloignés, comme la drosophile et la souris, permettra sans doute de préciser encore les réseaux génétiques anciens, déjà présents chez le dernier ancêtre des bilatériens (espèces à symétrie bilatérale). Mais l'interprétation de ces résultats pourrait bien rester délicate et laisser totalement insatisfaite notre curiosité quant à la forme ou les fonctions physiologiques de ce parent éloigné. L'étude des variations génétiques qui se greffent sur ce réseau ancestral, et la recherche de leurs corrélations avec d'éventuels changements morphologiques, connaît actuellement un essor justifié. Là encore toutefois, les interprétations de ces travaux, qui en aucun cas ne permettent de reconstituer des scénarios évolutifs réels, restent limitées. Sans doute l'intégration plus systématique d'approches de micro-évolution et de la biologie des populations sera-t-elle un élément important pour comprendre l'évolution du monde vivant dans sa diversité dasn une synthèse encore plus large ?

Mais les approches et les outils développés par la communauté Evo-Devo pourraient aussi dépasser largement le cadre évidemment très fondamental de cette discipline toute récente. Les comparaisons entre espèces plus ou moins éloignées fournissent en effet un outil privilégié pour identifier les contraintes qui s'exercent sur les séquences des gènes impliqués dans le contrôle de notre développement embryonnaire, de nos processus physiologiques ou de nos comportements. A ce titre, elles pourraient éclairer de façon significative les masses de données, encore bien peu défrichées, que constituent les génomes et en tout premier lieu le génome humain. Il s'agirait dans ce cas d'un bel exemple des retombées que peut avoir la recherche fondamentale sur un domaine plus appliqué, dont les enjeux sociaux économiques et médicaux sont aujourd'hui évidents.

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m "L'embryologie est pour moi de loin la classe de faits la plus forte en faveur du changement des formes". " La communauté de structures embryonnaires révèle la communauté de descendance"

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