mercredi 10 janvier 2018

Des embouteillages de ribosomes bloquent la traduction

Pour Prépa BCPST et Prépa Agreg
Thèmes : expression génétique, ARNm, traduction

Depuis 15 ans, la régulation de la traduction a le vent en poupe et de nouveaux mécanismes sont régulièrement découverts, notamment les microARN

Un nouveau mécanisme de régulation est en train d'émerger, mis en lumière dans un article publié dans le premier Nature de l'année 2018. Ce mécanisme met en jeu les ribosomes eux-mêmes. Dans l'article il a été démontré sur l'ARNm du gène humain AMD1 qui code l'adénosylméthionine décarboxylase 1. On sait que de manière habituelle, certains ribosomes passent le codon stop standard et continuent la traduction. Lorsque par divers outils génétiques, les auteurs augmentent la proportion de ribosomes qui passent le codon stop standard, la traduction de l'ARNm est inhibée plus vite. Les auteurs ont ensuite étudié la répartition des ribosomes sur l'ARNm par la méthode d'empreinte à ribosomes (basé sur le fait que les ribosomes protègent l'ARNm de l'action de ribonucléases).


Technique d'empreinte des ribosomes (source : https://en.wikipedia.org/wiki/Ribosome_profiling)

Ces expériences et d'autres (contrôlant par exemple que la survie des ARNm n'est pas affectée) aboutissent au modèle suivant : certains ribosomes passent le codon stop et continuent à avancer sur l'ARNm dans la séquence 3' non codante. Le premier d'entre eux s'arrête au prochain codon stop qui se trouve dans le cadre de lecture et il ne bouge plus. Les autres qui passent le codon stop conventionnel arrivent à son niveau et s'arrêtent et ne se décrochent pas non plus. Ainsi se crée progressivement un embouteillage. Il finit par s'étendre à la séquence codante habituelle (en amont du codon stop normal) et cela inhibe la traduction.

Le mécanisme permet de limiter le nombre de protéines générées à partir d'un ARNm. Il reste à savoir si d'autres gènes que AMD1 présentent cette régulation et si cela est mis en oeuvre dans des cas pathologiques ou si c'est un mécanisme de régulation plus général.


Voir article scientifique

samedi 16 décembre 2017

Des anomalies gravitationnelles permettent de mieux connaitre les gros séismes en temps réel

Pour PrépaBCPST, PrépaCAPES et PrépaAgreg
Thèmes : séismes, prévention des risques

Prévoir les tremblements de terre à plus ou moins long terme est un enjeu majeur. Il n'y a pas de méthodes fiables à l'heure actuelle. De nombreuses équipes étudient ce qui pourrait être des signes avant-coureurs. Et la mesure de la propagation de la modification du champ de gravité terrestre pourrait en être un, même si son efficacité réelle à sauver des vies est encore à débattre.

Le déplacement de deux blocs le long d'une faille provoque des ondes sismiques et ces ondes modifient à leur tour le champ de gravité terrestre. Des chercheurs français et américains ont publié une étude dans Science début décembre qui montre que cette modification se propage très vite, à la vitesse de la lumière, et donc bien plus rapidement que les ondes sismiques elles-mêmes qui se déplacent entre 3 et 10 km/s (les ondes P, les plus rapides se déplacent entre 6 et 10 km/s). A 1000 km de l'épicentre, ces modifications arrivent 2 minutes avant les dangereuses ondes sismiques. 

Source : http://contractionlanthanides.blogspot.fr/2015/11/le-sismographe_18.html
 
Source : http://raymond.rodriguez1.free.fr/Textes/1s21.htm
 Or ces modifications gravitationnelles sont mesurables par les sismographes car le petit changement de gravité modifie la position d'équilibre de la masse de l'instrument et les sismographes sont assez sensibles pour détecter cela. Jusqu'en 2016, ces petites modifications étaient passées complètement inaperçues mais on peut désormais les extraire du "bruit de fond". Les chercheurs ont utilisé notamment les enregistrements du séisme de Tohoku du 11 mars 2011 de magnitude 9,3 et qui a été à l'origine d'un tsunami dévastateur et de la catastrophe de la centrale nucléaire de Fukushima. 

Les amplitudes des perturbations gravitationnelles sont très sensibles à la magnitude du séisme, ce qui permettrait d'avoir accès à cette information cruciale rapidement. La méthode a des limites car il faut que le séisme soit de magnitude supérieure à 8,5 pour être détectable. Des outils développés pour détecter les ondes gravitationnelles devraient être mis à profit pour faire baisser ce seuil. 

Pour la protection des personnes, ces modifications gravitationnelles ne vont sans doute pas assez vite. Les zones les plus dangereuses sont les plus proches de l'épicentre, justement celles où le différentiel de temps entre l'arrivée de l'anomalie gravitationnelle et des ondes sismiques sera sans doute trop faible pour permettre à des personnes d'évacuer des bâtiments. Par contre, cette méthode permettra de savoir plus précisément et rapidement la magnitude des forts séismes. Celui de Tohoku avait d'abord été estimé à 7,9 avant de corriger vers sa magnitude réelle, plus élevée. Or, comme c'est une échelle logarithmique, une petite différence peut correspondre à une puissance très différente et enclencher par les autorités des types de réponses plus appropriées (notamment vis-à-vis de l'évacuation des côtes pour les tsunamis).

Voir aussi cet article.

samedi 25 novembre 2017

Le système REPAIR permet d'éditer la séquence des ARN (presque) à volonté

Pour PrépaBCSPST et PrépaAgreg
Thèmes : expression génétique, ARN, biotechnologie, thérapie génique

La séquence des ARNm peut être éditée par les cellules, c'est-à-dire que des bases azotées peuvent être modifiées ce qui va changer un codon et faire incorporer un acide aminé différent lors de la traduction que celui qui était codé dans le génome. Des additions ou des délétions de bases peuvent aussi avoir lieu. On connait des exemples chez les Mammifères (citons l'apolipoprotéine B produite dans le foie et dans les intestins qui est transcrite à partir d'un même gène mais il y a édition dans les intestins par changement d'un C en U ce qui donne un codon stop (UAA au lieu de CAA) et donc une forme plus courte de l'apolipoprotéine B dans les intestins). 

 
Exemple d'édition d'un ARNm chez l'homme. Source : http://www.biology-pages.info/R/RNA_Editing.html


 Également les Céphalopodes semblent particulièrement actifs dans ce domaine.

Des chercheurs américains qui viennent de publier dans Science ont tiré parti des propriétés d'une endonucléase, Cas13b pour faire de l'édition d'ARN sur demande. Les endonucléases Cas sont déjà très populaires pour éditer de l'ADN à volonté (voir ici). Ici, Cas13b est capable de se fixer sur de l'ARN et les chercheurs l'ont fusionné avec le domaine de désamination de l'adénosine de ADAR2. Ainsi, Cas13b reconnaît un ARN guide complémentaire d'une séquence spécifique et guide à son tour l'enzyme d'édition de l'ARN sur le bon site. ADAR2 désamine une adénosine produisant une inosine. L'inosine est ensuite reconnue comme une guanosine par la machinerie de traduction et donc cela revient à introduire une mutation ponctuelle A => G.

Source : http://science.sciencemag.org/content/358/6366/1019.full

ADAR2 a une préférence pour éditer les A qui se trouvent dans un ARN double brin en face d'un C (ce qui n'est pas un appariement habituel) et donc l'ARN guide qui s'hybride avec l'ARN à éditer possède un C en face du A qu'il s'agit de modifier. En revanche, le reste de sa séquence répond bien aux complémentarités Watson-Crick ce qui assure une spécificité de la modification.

Le système s’appelle REPAIR (RNA Editing for Programmable A to I Replacement). Il a un intérêt fondamental pour étudier l'édition des ARNm ou pour des expériences de perte-de-fonction ou de modifications ponctuelles de protéines et de leurs effets. En outre, la technique d'édition de l'ADN par CRISPR/Cas9 ne marche pas bien dans les cellules post-mitotiques (qui ne prolifèrent plus tels que les neurones). Or la technique REPAIR marche très bien dans ces cellules.

REPAIR permettrait aussi d'éditer des ARN mutés liés à des maladies génétiques sans avoir à toucher à l'ADN et causer d'éventuels effets mutagènes qui auraient des conséquences définitives. Et on pourrait même faire des traitements temporaires (par exemple modifier un site de phosphorylation d'une protéine pour diminuer une inflammation pathologique jusqu'à guérison et ensuite revenir à la production d'une protéine normale).


Article scientifique

mardi 14 novembre 2017

Une modélisation virtuelle de l'évolution des arbres permet de faire la part entre les effets de la lumière et du vent

Pour PrépaBCPST et PrépaAgreg
Thème : port des Angiospermes, arbre, lumière et végétaux


Quand on se promène dans une forêt, les arbres, même appartenant à une même espèce, semblent avoir une grande diversité de formes. Et pourtant, ces formes sont régies par un certain nombre de lois, de contraintes structurales et des interactions avec l'environnement, notamment la lumière et le vent.

Pour comprendre les points communs mais aussi la diversité entre les formes d'arbres, une équipe pluridisciplinaire de Marseille associant biomécaniciens, écophysiologistes et bioinformaticiens a mis au point une modélisation virtuelle d'une forêt qu'elle a pu faire évoluer sur...200.000 ans. Le programme informatique s'appelle MechaTree.


Arbre virtuel obtenu par le logiciel MechaTree au bout de 200.000 ans (virtuels) de sélection

 Les arbres virtuels poussent à partir d'une graine, sont capables d'intercepter la lumière (ce qui modifie l'environnement pour les arbres qui poussent en dessous), répartissent les produits d'une photosynthèse virtuelle entre les différents organes, initient des branches, produisent des graines qui germent...etc...Les scientifiques peuvent déclencher des tempêtes qui cassent des branches, abattent des arbres, le tout simulé dans les règles de l'art par des biomécaniciens.

Les scientifiques ont utilisé les connaissances les plus récentes sur l'influence de la lumière et du vent sur le développement des arbres. Par exemple, un article récent avait montré que la localisation des nouvelles branches dépend de la lumière reçue et un autre article a montré que la croissance en épaisseur des branches est contrôlée par les déformations causées par le vent : un phénomène qui fait partie de la thigmomorphogenèse (= l'ensemble des réponses de croissance d'une plante à la suite d'une stimulation mécanique transitoire) et qui contrôle pour une bonne part la production de bois sous nos climats.

Les chercheurs ont introduit un polymorphisme distribué initialement au hasard (mime des mutations) en faisant varier des paramètres tels que la sensibilité à la lumière ou au vent, la distribution relative des produits de photosynthèse. Puis ensuite ils ont laissé agir la "sélection naturelle" dans leur programme avec des arbres poussant plus ou moins vite ou plus ou moins fragiles face aux tempêtes. A chaque génération d'arbres, ils ont réintroduit quelques modifications aléatoires (nouvelles mutations).

Et après avoir fait rouler le programme sur 200.000 ans virtuels, les chercheurs ont retrouvé des forêts...qui ressemblent aux forêts réelles avec les mêmes lois d'échelle. Par exemple, ils ont retrouvé ce qu'avait observé Léonard de Vinci : la somme des sections des branches portée par un tronc est égale à la section de ce dernier. Et ils ont retrouvé aussi une organisation générale avec des fractales de l'ordre de 2,5 comme dans la nature. 

Les chercheurs ont ainsi pu préciser les rôles joués par les différents paramètres dans l'évolution de la forme "arbre". La transparence du feuillage et la compétition pour la lumière sont les premiers déterminants de la nature fractale de la structure de l'arbre et la réponse au vent influence plutôt l'évolution du diamètre des branches. Les chercheurs indiquent qu'un paramètre avait été jusqu'à présent sur-estimé : la conduction de la sève brute et ses contraintes biomécaniques et hydrauliques. Leur modèle ne l'inclue pas et ils retrouvent pourtant des formes très proches des arbres réels.



D'après communiqué du CNRS

 Article scientifique

dimanche 29 octobre 2017

Les gibbérellines contrôlent la production de stolons chez le fraisier

Pour Prépa BCPST, Prépa CAPES et Prépa Agreg
Thèmes : reproduction sexuée/asexuée, hormones végétales

Les végétaux sont capables de coloniser rapidement leur milieu par reproduction asexuée. Ainsi, le fraisier produit un stolon, une tige horizontale (ici au ras du sol mais chez la pomme de terre, il peut être souterrain), à partir duquel vont se développer des plantes-filles. Ce mode de reproduction est aussi important en agriculture parce que c'est comme ça que se propagent les variétés commerciales, en évitant les croisements qui "dilueraient" les bonnes combinaisons de gènes/allèles.

Source : http://www.jardiniers-professionnels.fr/fraisiers-multiplication-par-les-stolons/
Des chercheurs français de l'Université de Bordeaux ont découvert le mois dernier le gène qui contrôle la production des stolons chez le fraisier des bois (Fragaria vesca). Ils sont partis de l'étude d'un mutant de la fraise des bois qui ne produisait pas de stolons (mutant runnerless). Ils ont réussi à trouver d'où venait la mutation. Il s'agit d'une délétion dans le gène codant une isoforme de la gibbérelline 20-oxydase. La mutation provoque l'absence de site actif dans l'enzyme, aboutissant à un défaut de production de gibbérellines.

 Les gibbérellines  sont des hormones végétales déjà impliquées dans la mobilisation des réserves lors de la germination, dans le débourrement des bourgeons, dans l'élongation des entre-nœuds.

Chez le fraisier, en absence de production de gibbérellines dans les méristèmes axillaires (à l'aisselle des feuilles), ils finissent par produire des fleurs plutôt que des stolons. Si on ajoute des gibbérellines aux mutants, des stolons se forment à nouveau, mais au détriment des fleurs. Il y a donc une balance entre reproduction sexuée et asexuée contrôlée par les gibbérellines chez le fraisier.

Reste à savoir si chez d'autres espèces, comme la pomme de terre, cela fonctionne de la même manière. 

Merci à  @BCPSTPrevert d'avoir déniché cet article intéressant.


Référence article scientifique :
Tracey Tenreira, Maria Joao Pimenta Lange, Theo Lange, Cécile Bres, Marc Labadie, Amparo Monfort, Michel Hernould, Christophe Rothan and Beatrice Denoyes (2017) A Specific Gibberellin 20-oxidase Dictates the Flowering-Runnering Decision in Diploid Strawberry. Plant Cell, 29(9):2168-2182. doi: 10.1105/tpc.16.00949.

Voir aussi cet article de l'INRA

dimanche 22 octobre 2017

La dissection génétique des différentes étapes de la spermatogenèse, cellule par cellule

Pour PrépaBCPST, PrépaCAPES et PrépaAgreg
Thème : gamétogenèse, reproduction, expression génétique

La spermatogenèse est une fonction évidemment importante pour la reproduction des espèces et est très active tout au long de la vie d'un adulte (1.000 spermatozoïdes produits par seconde chez l'homme). Elle est constituée d'une succession d'étapes qui ont lieu dans les tubes séminifères des testicules. Le passage du stade spermatogonie (qui est une cellule souche) au stade spermatozoïde prend 72 à 75 jours chez l'homme. Pendant ce temps, auront lieu notamment les deux divisions méiotiques et la différenciation (spermiogenèse). 

 
Source : http://www.vetopsy.fr/reproduction/male/spermatogenese.php

C'est donc un processus dynamique et de nombreuses régulations génétiques doivent avoir lieu pour que l'enchaînement des étapes se passe correctement.

Des chercheurs ont mis à profit les capacités d'étude du transcriptome à l'échelle d'une cellule pour disséquer très précisément les modifications d'expression génétique au cours de la spermatogenèse. Chaque cellule sur une coupe de testicule est récupérée individuellement par laser. Le principe est qu'un laser infrarouge chauffe une résine qui fond et devient collante et peut ainsi prélever sur une coupe une surface correspondante au diamètre voulu (jusqu'au diamètre correspondant à une seule cellule).

Principe de la microdissection par capture laser (source : http://www.socmucimm.org/laser-capture-microdissection/)
500 cellules correspondantes à une vingtaine d'étapes de la spermatogenèse ont été disséquées. On a extrait de chaque cellule quelques picogrammes d'ARN qu'il a fallu ensuite rétrotranscrire et amplifié avant séquençage. Puis des outils bio-informatiques d'analyse ont été mis en œuvre. Résultats : l'expression d'un peu plus de 4.000 gènes a un profil dynamique au cours des différentes étapes de la spermatogenèse (ce qui constitue une proportion étonnamment importante parmi les 23.000 gènes humains). Sans surprise, les principales modifications ont lieu en entrée et en sortie de méiose. Les auteurs ont pu identifier de nombreux ARN non traduits qui ont des profils très dynamiques et donc sans doute des rôles importants encore insoupçonnés dans la régulation de la spermatogenèse.

Les plus grandes surprises sont venues des spermatogonies : d'abord les spermatogonies expriment déjà certains gènes codant des protéines nécessaires pour la dernière étape de différenciation (même si c'est à des niveaux faibles). La différenciation consiste donc surtout à augmenter l'expression des gènes déjà en partie actifs au préalable plutôt qu'à les activer à partir de 0. Cela peut contribuer à rendre le processus plus rapide.

Ensuite, les spermatogonies qui se divisent symétriquement pour donner deux spermatogonies (appelées Adark parce qu'elles ont un noyau sombre) et les spermatogonies qui sont issus d'une division asymétrique et qui vont s'engager plus tard dans la méïose (appelées Apale) ont des profils d'expression génétique très similaires. Ce qui veut dire que c'est sans doute sur les protéines (leur production par traduction ou leurs phosphorylations...) et non sur la régulation transcriptionnelle que se jouent les différences entre ces deux types de spermatogonies.

Enfin, dans une population morphologiquement homogène de spermatogonies, les chercheurs ont trouvé des profils assez différents ce qui veut dire qu'il y a des catégories de spermatogonies avec des fonctions sans doute distinctes qui n'avaient pas encore été caractérisées au préalable.

En résumé, la diversité morphologique visible en histologie des spermatogonies (les A dark et les A pale) n'est pas forcément la plus pertinente en terme de diversité d'expression génétique.

Bref, tous ces gènes sont autant de nouvelles cibles à étudier et potentiellement à traiter pour les cas d'infertilité masculine ou au contraire pour trouver un contraceptif masculin.

Article scientifique

jeudi 28 septembre 2017

L'origine de la vie sur terre repoussée à -3,95 milliards d'années

Pour Prépa BCPST, PrépaCAPES et PrépaAgreg

Thèmes : origine de la vie, isotopes en Sciences de la Terre


La Terre s'est formée il y a environ 4,54 milliards d'années. Savoir combien de temps après est apparue la vie est une question essentielle. La rapidité de son apparition peut donner des idées sur les mécanismes de son origine et sur les vitesses d'évolution par la suite. 

Les plus anciennes traces de vie étaient jusqu'à présent datées de -3,8 milliards d'année et elles avaient été découvertes dans des roches du Groenland.

Une équipe japonaise vient de repousser cette apparition de 150 millions d'années, à -3,95 milliards d'années. Les chercheurs ont étudié les isotopes de carbone dans des grains de graphite (l'une des formes cristallines du carbone justement) dans des roches métasédimentaires prélevées dans la Péninsule du Labrador au nord-est du Canada.

Localisation de Saglek où les roches étudiées ont été prélevées.

La signature biogénique prend la forme d'une hausse du rapport 12C/13C (enrichissement en 12C) par rapport aux valeurs attendues indiquant qu'il y a eu pour ces carbones à un moment donné un passage par une enzyme d'un organisme vivant qui sait faire le tri entre les différents isotopes. C'est ce que l'on constate toujours à l'heure actuelle : par exemple la Rubisco du cycle de Calvin dans la photosynthèse fixe plus facilement dans les molécules organiques du 12C que du 13C.

Ce sont des preuves indirectes mais les arguments avaient été les mêmes pour les roches du Groenland, détentrices du précédent record.

Notons qu'il n'est pas sûr que ce soit l'origine de la vie dont nous sommes les descendants. Il a très bien pu y avoir plusieurs origines et toutes ont périclité sauf une.


L'article scientifique.

Voir aussi cet article.

Voir cette excellente page sur les origines de la vie