samedi 25 novembre 2017

Ls 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

lundi 11 septembre 2017

Des microARN provenant de plantes contrôlent les castes des abeilles

Pour PrépaAgreg surtout
Thème : génétique, épigénétique, insectes sociaux

Une abeille femelle peut devenir soit une ouvrière, soit une reine. On sait depuis longtemps que cela dépend de la nourriture qu'on lui donne lorsqu'elle est une larve. 
  • Si elle est nourrie uniquement de gelée royale, elle va devenir une reine; 
  • Si elle est nourrie de gelée royale (pendant seulement 3 jours) puis d'un mélange de pollen et de nectar dilué (nommé par les anglo-saxons beebread ou pain d'abeille) elle va devenir une ouvrière. 
On savait que cette nourriture différenciée aboutit à des méthylations différenciées sur l'ADN de séquences régulatrices. Cela aboutit par régulation transcriptionnelle à la stimulation du développement de l'appareil reproducteur chez reines et à l'inhibition de ce développement chez les ouvrières.

Larves de reines d'abeille dans la gelée royale. (Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Détermination_épigénétique_chez_les_abeilles#/media/File:Weiselzellen_68a.jpg)

Les auteurs d'un article récent viennent d'ajouter un étage à la cascade partant de la nourriture vers la régulation génétique. Ils ont découvert que ce sont des microARN produits par les plantes et présents dans le pain d'abeille qui inhibent le développement de l'appareil reproducteur des ouvrières. Les microARN sont des petits ARN (autour de 20 bases) non traduits qui inhibent la traduction des ARNm dont ils sont complémentaires. La gelée royale est une sécrétion glandulaire des abeilles et ne provient pas directement de plantes donc elle ne possède pas ces microARN. 
Pour faire leur démonstration, les auteurs ont nourri des larves de drosophile avec de la nourriture contenant les microARN présents dans le pain d'abeille et ils ont constaté une inhibition du développement de leur appareil reproducteur quand ces larves passaient à l'état adulte. Des ARN à la séquence aléatoire n'avaient pas cet effet. 

Un microARN a attiré particulièrement l'attention des chercheurs, miR162a. Ils ont montré qu'il inhibe tant chez l'abeille que chez la drosophile l'expression de TOR, une protéine impliquée au cours d'études précédentes dans la formation des castes chez les abeilles : il est plus exprimé chez les reines et moins exprimé chez les ouvrières. Ici, le modèle colle donc parfaitement : le pain d'abeille dont ne se nourrissent que les futures ouvrières leur apporte miR162a qui inhibe TOR et qui les amène vers le phénotype "ouvrières". Les reines ne mangeant que de la gelée royale, elles ne reçoivent jamais de miR162a.

Étonnamment des microARN ingérés semblent ne pas être dégradés dans l'intestin des larves et semblent passer dans l'hémolymphe. Puis ils peuvent rentrer dans les cellules où ils régulent la traduction. Il y a ici beaucoup d'étapes dont les mécanismes sont inconnus. Chez le nématode C. elegans, il a été montré qu'une protéine transmembranaire était capable de transporter des petits ARN de l'extérieur vers l'intérieur de la cellule. Également, de nombreux cas d'échanges de petits ARN entre espèces ont été documentés (entre des champignons pathogènes et des plantes, entre des bactéries et des nématodes...). Des plantes qui produisent des siARN (un équivalent des microARN) qui inhibent l'expression de gènes d'insectes ont présenté une résistance aux insectes qui les parasitaient habituellement. Bref, les petits ARN pourraient être des nouveaux acteurs d'importance pour les relations interspécifiques.


Voir l'article scientifique
Voir aussi cet article

mercredi 30 août 2017

Le réchauffement climatique menace la résilience des végétaux après une période de sécheresse

Pour PrépaBCPST, PrépaCAPES et PrépaAgreg
Thèmes : la plante et l'eau, productivité primaire, réchauffement climatique

Les végétaux sont, selon les espèces, plus ou moins adaptés à survivre pendant les périodes de sécheresse. Les mécanismes commencent à être bien connus, mais par contre il reste beaucoup d'inconnues sur la manière dont les végétaux se comportent lorsque la pluviométrie revient à la normale.

Des chercheurs américains viennent de publier une étude à l'échelle globale qui permet d'estimer la durée de retour à une production primaire normale après une période de sécheresse. Ils ont utilisé un indice qui combine la température, l'humidité des sols, le niveau récent de précipitations et la demande des plantes en eau. Puis ils ont croisé ces données avec celles des satellites qui mesurent la productivité primaire. 

Carte des temps de récupération des végétaux pour retour à une productivité primaire normale après une période de sécheresse. Notez la France où le temps de récupération est plus important au nord/nord-est qu'au sud/sud-ouest. Source : Schwalm et al., 2017
 
Il faut 6 mois en moyenne après une période de sécheresse pour que la végétation retrouve sa productivité normale. Il arrive que cette période soit plus longue que la sécheresse elle-même. Les végétaux des régions tropicales d'Amérique du Sud et d'Asie du Sud-Est sont les plus lents à se remettre (cela peut aller jusqu'à deux ans). Pour l'Amazonie, les chercheurs ont montré des effets particulièrement importants de sécheresses récurrentes alors que les arbres ne s'étaient pas encore remis des sécheresses passées. Le suivi de populations d'arbres en France effectué par l'INRA avait déjà montré que les hêtres et les chênes souffrent de sécheresses récurrentes plus que d'un épisode extrême mais isolé.

Par ailleurs, les chercheurs ont observé que le maintien de températures élevées ralentit le rétablissement des végétaux (même si la pluviométrie reste normale), ce qui ne peut manquer d'inquiéter en période de réchauffement climatique. Ce réchauffement ralentit la résilience de la productivité primaire, or celle-ci est un puits de carbone. Il y aurait donc un possible effet d'emballement : plus il y aura de réchauffement dans un contexte de sécheresse moins il y aura d'absorption de CO2.

Vers article scientifique.
Voir cet article.