La génomique (n° 8 : novembre 2006)

page 4 Paul Sabatier — Le magazine scientifique — numéro 8
Une ère nouvelle s’est ouverte en biologie suite
au séquençage de la levure en 1996, du vers
caenorhabditis elegans en 1998, puis l’homme
(1996-2003), la drosophile (2000), la souris et le
rat (2000-2006), le poisson fugu et le tétraodon,
la poule (2005-2007), et maintenant la vache et
le porc. La séquence partielle de nombreuses
espèces eucaryotes est également maintenant
disponible.
La mise à la disposition de la communauté
scientifique de ces séquences de référence
constitue un formidable accélérateur pour la
recherche des gènes impliqués dans la
régulation d’un caractère ou dans le
déterminisme génétique de la susceptibilité à
une maladie. Disposer de la séquence de
plusieurs organismes différents permet de
mettre en évidence les régions conservées entre
espèces, et d’identifier ce qui est signifiant sans
se limiter aux seules séquences codantes.
L’étude de la variabilité génétique a largement
bénéficié de ces progrès en particulier à travers
l’identification d’un très grand nombre de
marqueurs génétiques (50 à 100 000 SNPs )
pouvant avoir des conséquences sur la fonction
des gènes. Ces marqueurs sont
avantageusement utilisés pour identifier des
gènes potentiellement impliqués dans des
maladies génétiques et étudier l’évolution des
espèces et des populations. L’utilisation de cette
masse colossale d’informations repose sur le
Les enjeux en génomique
Le catalogue des génomes des espèces vivantes s’étoffe. A l’université
Paul Sabatier, de plus en plus de chercheurs se passionnent pour cette
masse nouvelle d’informations qui permet d’affronter des maladies
sous un angle nouveau, mais aussi de comprendre le fonctionnement
des organismes et leur évolution.
dOSSIER
>>> Chargement de polymère sur un séquenceur d'ADN
ABI3100. (© CRGS - Génopole Toulouse Midi-Pyrénées).
GÉNOMIQUE
L’offre de formation
en génétique
La formation en génétique est très fortement présente à l’Université Paul Sabatier.
Ainsi il existe le master Mention Analyse Fonctionnelle des Génomes (AFG)
comprenant au choix 5 UE de Génétique et 4 UE d’Expression génique et sa
modulation. Cette mention débouche sur deux spécialités professionnelles
(vectorologie, thérapie génique et vaccinologie ; Bioingenérie), et une spécialité
recherche.
A la suite de ce dernier master, il est possible de préparer un doctorat dans l’un des
laboratoires de l’UPS, rattachés à l’Ecole Doctorale Biologie-Santé-Biotechnologies.
La Génétique Médicale fait également l’objet d’un enseignement spécifique destiné
aux étudiants en médecine et d’un diplôme d’études spécialisées de génétique
médicale (clinique, chromosomique et moléculaire) dans le cadre du 3ecycle de
Médecine spécialisée.
>>> Alain HOVNANIAN, Professeur UPS et
praticien hospitalier, directeur du
département de génétique du, CPTP, UMR
INSERM/UPS 563 et Service de Génétique
Médicale CHU de Toulouse Purpan.
>>>
>>> Denis MILAN, Directeur de recherche
au Département de Génétique Animale,
INRA Centre de Toulouse et Centre
de Ressource génotypage et Séquençage
de la génopole Midi-Pyrénées.

Les thématiques abordées dans ce numéro illustrent
bien la diversité des domaines étudiés sur le site
toulousain. Du développement embryonnaire de
la drosophile aux cancers et maladies génétiques
humaines, en passant par l’étude des mécanismes
épigénétiques régulant l’expression des gènes,
l’étude comparative des génomes bactériens,
l’anthropobiologie étudiant l’évolution humaine et
l’histoire du peuplement.
Les laboratoires et structures de recherche à
Toulouse sont multiples. Plus de 18 laboratoires
publics et quarante trois équipes de recherche sont
directement impliqués. Plusieurs laboratoires ont en
particulier regroupé leurs forces pour constituer le
génopole de Toulouse (Genotoul) créé en 2000 qui
s’intègre dans le réseau national des génopoles.
Cette structure a permis une mise en commun
d’outils et de savoir entre les équipes universitaires,
et d’apporter un appui aux équipes privées qui le
souhaitent. Le génopôle de Toulouse est une réussite
(5 plateformes : séquençage génotypage,
transcriptome, protéome, bioinformatique,
exploration fonctionnelle, + plateforme génétique et
société). Ces avancées vont être prolongées par de
nouveaux moyens et ambitions avec la mise en
place du cancéropôle.
Contacts:
[email protected]m.fr et
[email protected]
Les thématiques en génétique et
le potentiel du site toulousain
développement de ressources informatiques en
progression constante.
Dans le domaine médical la génétique humaine
permet de mettre au point de nouveaux moyens
de diagnostic ou de pronostic, de développer de
nouveaux traitements (nouveaux médicaments,
thérapie génique), ou d’adapter les traitements
au patrimoine génétique de chacun
(pharmacogénomique). A côté de cela, la
génétique est aussi une science «fondamentale»
au service des autres disciplines des sciences
de la vie. Après la révolution du séquençage
des génomes dans le but d’établir le catalogue
complet des gènes à partir de la séquence),
l’enjeu est maintenant d’accéder à la
connaissance fine de la régulation de l’expression
(séquence régulatrice de l’expression, rôles des
petits ARN non codants …), des modifications post
traductionnelles, des interactions entre protéines.
Si un pas important a été fait ces dix dernières
années, le défi reste entier.
Les enjeux en génétique sont maintenant
de mieux comprendre les mécanismes
épigénétiques par lesquels l’expression des
gènes est modifiée sans altération de leur
séquence, d’identifier les gènes modificateurs
influençant la sévérité des maladies,
comprendre les interactions entre gènes et
environnement, connaître les mécanismes
intimes des maladies, découvrir de nouvelles
voies biologiques, identifier de nouvelles cibles
thérapeutiques et développer de nouveaux
traitements. La génétique est ainsi au
croisement de plusieurs routes, celles de la
connaissance, de l’héritage et de la
transmission, de l’adaptation et de l’évolution.
dOSSIER
>>> Préparation de réactions PCR en plaque
384 puits sur robot pipetteur TECAN Genesis.
(© CRGS - Génopole Toulouse Midi-Pyrénées).
Génomique
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>>>

dOSSIER
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>>> Francis PAYRE, Henri-Marc BOURBON et
Marc HAEULIN, DR CNRS;
Michèle CROZATIER, CR CNRS;
Alain VINCENT, DR CNRS et David CRIBBS,
Professeur UPS, tous chercheurs
au Centre de Biologie du développement
(CBD, UMR UPS/CNRS).
La mouche drosophile au service de
la génétique du développement
Génomique
Les animaux partagent grosso modo les mêmes gènes du développement. Une
universalité étonnante qui permet d’étudier le développement de l’homme à
travers le prisme de la petite mouche drosophile.
Comment l’information codée dans le génome finit-elle
par donner des organes de forme, de taille et de
fonction aussi précise? Ou, en termes biologiques,
comment passe-t-on du génotype au phénotype? Les
relations entre les processus du développement animal
et de l’évolution sont au centre des interrogations des
biologistes depuis la deuxième moitié du 19esiècle.
Or, ces pionniers se sont vite heurtés à un constat
surprenant. Les gènes de contrôle du développement
semblent en effet universels. Une universalité qui
contraste avec la disparité des tailles et morphologies
des animaux adultes et des complexités des génomes.
Mais qui s’avère aujourd’hui bien utile: elle permet en
effet d’étudier les bases moléculaires du développement
embryonnaire humain, normal ou pathologique en se
basant sur des organismes modèles vertébrés et
invertébrés. Une recherche intégrative qui a connu une
belle montée en puissance. La mouche drosophile s’est
très tôt imposée comme le modèle favori des généticiens,
avec les expériences de T. Morgan (Prix Nobel de
Médecine, 1933). Ce modèle ouvrait la porte à
l’utilisation d’approches génétiques pour comprendre
le développement embryonnaire.
Les recherches menées au Centre de Biologie du
développement se positionnent sur quatre axes:
le premier concerne la diversité de formes, tailles et
positions des muscles squelettiques. Les mécanismes
responsables de cette diversité programmée, qui
comprend un processus extrêmement élaboré de fusion
de cellules individuelles en une fibre musculaire
contractile, sont largement inconnus. Nous étudions
ces mécanismes, avec comme paradigme la formation
d’un muscle dans l’embryon de drosophile. Nous avons
récemment montré que les bases moléculaires de la
réponse immunitaire cellulaire induite par la présence
de parasites étaient déjà présentes dans l’ancêtre
commun aux insectes et aux vertébrés, il y a
600 millions d’années. Au-delà de sa valeur
heuristique, la connaissance des réponses immunitaires
de la drosophile aux parasites naturels est d’intérêt
majeur pour développer de nouveaux moyens de lutte
biologique contre les insectes ravageurs.
Le deuxième axe concerne le développement. Les gènes
homéotiques (au nombre de 8 chez la drosophile) sont
des gènes clefs du développement, responsables de
l’identité des différentes parties du corps. D’abord
identifiés chez la drosophile, ils ont été retrouvés dans
tout le règne animal. Nous étudions depuis de
nombreuses années le gène homéotique proboscipedia
(pb), qui est nécessaire à la formation de pièces buccales
de la drosophile et dont la mutation a pour conséquence
la formation de pattes au lieu du labium. La mutation
de plusieurs composants nous a permis de montrer que
le(s) complexe(s) médiateurs, considérés auparavant
comme des facteurs «généraux», contribuent en réalité
à la spécificité tissulaire d’expression du génome. Par
ailleurs, nos cribles génétiques ont identifié quelques
gènes cibles de cette régulation, dont deux codent pour
des facteurs de croissance cellulaire connus pour leur
capacité à promouvoir la formation de tumeurs chez
les mammifères, lorsque leur expression est dérégulée.
Spectaculaire diversité de formes
Le troisième s’intéresse à la compréhension des
mécanismes régulant la production des cellules
sanguines (hématopoïèse). Nous étudions les
mécanismes de contrôle de l’hématopoïèse et de
l’immunité chez la drosophile, c’est-à-dire, les
mécanismes de reconnaissance et d’élimination
d’organismes pathogènes ou de tissus altérés, des
mécanismes vraisemblablement ancestraux. En parallèle,
nous avons récemment initié une analyse génétique des
réactions immunitaires activées en réponse à une
dérégulation de l’expression génique provoquant la
formation de tumeurs. La drosophile s’impose en effet
comme un modèle d’étude de pathologies humaines, en
particulier grâce à la puissance des cribles d’interactions
génétiques qui peuvent être mis en œuvre.
Enfin, le quatrième axe cherche à comprendre comment à
partir de génomes étonnamment similaires, il existe une
spectaculaire diversité des formes animales. Comment ces
caractères morphologiques sont-ils générés au cours du
développement et quels sont les mécanismes à l’origine de
«l’explosion» de leur diversité au cours de l’évolution?.
L’étude de différentes espèces de drosophiles a conduit à
une nouvelle vision des mécanismes de l’évolution:
l’évolution morphologique repose sur la modification
répétée de seulement quelques gènes clés, déterminant de
nombreux caractères morphologiques. La découverte d’un
de ces gènes, shavenbaby, a permis à l’équipe d’identifier
des protéines contrôlant directement la forme des cellules.
Ces recherches sur la Drosophile doivent permettre de
mieux comprendre les mécanismes moléculaires à la base
des changements de forme des cellules cancéreuses, qui
sont nécessaires à leur prolifération et à l’invasion des
métastases.
Contact: [email protected]
>>> Organe hématopoïétique de la drosophile
vu en microscopie co-focale. Les cellules
immatures expriment la GFP (en vert).

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>>> Michèle CAIZERGUES-FERRER, DR CNRS
au Laboratoire de Biologie Moléculaire
des Eucaryotes (LBME, Unité mixte UPS/
CNRS, membre de l’IFR109).
Un gène, une fonction:
le dogme bousculé
Notre génome est quasiment identique à celui des autres mammifères. Et la
principale fonction de ce génome ne serait pas de coder des protéines. En
quelques années, deux dogmes génétiques ont ainsi volé en éclat. Pour ouvrir
des perspectives thérapeutiques nouvelles…
Le décryptage des génomes, de la levure à l’homme,
a surpris les biologistes moléculaires et bousculé
certains dogmes. Alors que l’on imaginait, vu sa
complexité, la présence chez l’homme d’au moins
100 000 gènes, l’analyse de la séquence complète
de l’ADN n’a révélé que 25000 gènes. Le génome
humain est identique à plus de 99 % avec celui du
chimpanzé et à 90 % avec celui de la souris.
Ce n’est donc pas uniquement le nombre de gènes
qui peut expliquer la diversité des fonctions.
C’est dans la régulation de leurs activités et dans
les interactions qui s’exercent entre les gènes
eux-mêmes et leurs produits qu’il faut chercher le
secret de leurs multiples fonctions Un enjeu majeur
pour appréhender cette régulation, qui va au-delà
de la génétique classique, est la compréhension
des mécanismes épigénétiques capables de réguler
l’activité d’un gène de manière héritable sans affecter
la séquence d’ADN. L’organisation dynamique des
cellules et des chromosomes au sein du noyau au
cours du cycle cellulaire, la reprogrammation du
génome au cours du développement, le contrôle
de la différenciation cellulaire et le déterminisme de
pathologies (cancers et certains syndromes humains)
reposent en grande partie sur de tels mécanismes.
ADN poubelle
Récemment, une autre découverte a pris de nouveau
le dogme génétique à contre-pied. Elle concerne ce
que l’on appelait jusqu’alors l’ADN poubelle : des
zones d’ADN considérées comme inutiles. En effet,
98 % au moins des séquences des génomes de
mammifères n’ont pas la capacité de
générer des protéines. Or, au cours de
ces dernières années, on a montré
que cet ADN poubelle était bel et
bien lu et servait de canevas pour
fabriquer des molécules d’ARN. Cet
ARN, retrouvé en grande quantité
dans les cellules, a été appelé ARN
non codant puisqu’il ne conduit pas,
contrairement aux autres ARN
connus, à la synthèse de protéines.
Beaucoup de ces ARN ont des
fonctions bien caractérisées. Certains,
récemment identifiés sont capables
d’interférer avec le fonctionnement d’un gène soit
en agissant sur la configuration de l’ADN dont
ils modulent les fonctions par des mécanismes
épigénétiques, soit en déstabilisant l’ARN messager
ou en empêchant sa traduction en protéines.
Ces petits ARNs semblent avoir des rôles quasi
universels et très conservés au cours de l’évolution.
Syndrome de Prader-Willy
Le rôle des régulations épigénétiques et des ARNs
dans l’expression génique et la dynamique fonctionnelle
de la cellule sont les principaux thèmes de recherche
développés au LBME. On y étudie les mécanismes
épigénétiques de l’expression et de la mise en silence
des gènes ainsi que leur localisation au sein du noyau
cellulaire, la biogénèse de ribonucléoparticules en
relation avec leur trafic intracellulaire, ainsi que
l’analyse de la recombinaison au niveau de la molécule
unique. Les études de fonctionnement du génome
s’effectuent à l’échelle de la cellule et/ou de l’organisme
et profitent des progrès récents de l’imagérie.
Ces développements nous amènent naturellement à
une activité de plus en plus interdisciplinaire.
Notre laboratoire a été pionnier dans la découverte
des « snoARNs », des guides de modification d’ARN.
Une nouvelle classe de snoARN ne s’exprimant
que dans le cerveau de mammifères et soumise à
l’empreinte génomique parentale a été découverte.
Ces snoARN sont absents chez des individus atteints
du syndrome de Prader-Willi2 suggérant que l’absence
de ces snoARN peut être impliquée dans l’étiologie
de cette maladie.
Les résultats de notre recherche profitent à
l’amélioration de la compréhension des mécanismes
fondamentaux pouvant expliquer l’origine de diverses
pathologies, des maladies rares au cancer, et à la
définition de nouvelles cibles thérapeutiques.
Contact : fer[email protected],
Sites web : http://www.iefg.biotoul.fr/
http://www-snorna.biotoul.fr/
Génomique
>>> Appareillage « Pinces Magnétiques »
dédié à l’étude de l’ADN à l’échelle
de la molécule unique.

page 8 Paul Sabatier — Le magazine scientifique — numéro 8
A ce jour plus de 380 génomes de procaryotes
(essentiellement des bactéries) ont été entièrement
séquencés. Un matériel de choix pour entreprendre
la comparaison des génomes et des protéomes. Le
Laboratoire de microbilogie et génétique moléculaire
(LMGM) contribue à ces analyses sous plusieurs
angles complémentaires : étude des mécanismes
contribuant à la stabilité et à la dynamique des
génomes, analyse bio-informatique comparative des
génomes de bactériophages (ces virus qui n’affectent
pas les bactéries) et des génomes bactériens, et
caractérisation des modalités de régulation globales
de l’expression génique.
Une partie de ces travaux contribue au décryptage
et à la comparaison des génomes de plusieurs types
de bactériophages. Ils démontrent en particulier
l’organisation de ces génomes en mosaïque de
régions constantes et très variables, suggérant
une évolution rapide et continue par échanges de
fragments génomiques entre phages apparentés.
Banques de données
La stabilité des génomes bactériens impose qu’à
chacune des divisions cellulaires une copie intacte et
complète de ce génome soit distribuée dans chacune
des deux cellules filles. Le Laboratoire analyse les
différents mécanismes qui assurent l’intégrité et la
fiabilité de la répartition des génomes bactériens au
niveau moléculaire. La dynamique des génomes
bactériens repose en grande partie sur la mise en
œuvre d’éléments génétiques mobiles, dont les plus
nombreux, appelés IS (insertion séquences), sont de
courtes séquences codant uniquement les protéines
nécessaires à leur déplacement d’un point à un autre
sur l’ADN (transposition). Le laboratoire analyse
l’organisation, les modalités d’expression et les
mécanismes de transposition de plusieurs de ces
séquences. Une banque de données dédiée aux IS
(IS finder ; www-is.biotoul.fr) a été développée
au LMGM et sert de référence internationale
dans le domaine.
La somme considérable d’informations générées
par le séquençage des génomes nécessite le
développement d’approches bio-informatiques
appropriées. Le laboratoire s’intéresse à l’analyse des
grandes familles de gènes et a créé une banque de
données permettant la recherche et l’étude des gènes
codant les systèmes de transport de solutés de type
«ABC» (ATP-binding cassette) au sein des génomes
(www-abcdb.biotoul.fr).
Bactéries funambules
Enfin, aucune approche génomique ne saurait être
complète sans l’analyse de l’expression des génomes
considérés. Le laboratoire étudie les modalités de
l’expression génique et de sa régulation en fonction
des conditions de l’environnement, et en particulier
lors des processus d’adaptation aux stress. Là
encore, ces travaux montrent comment les cellules
bactériennes jouent les funambules entre d’une part
la capacité à maintenir l’intégrité de leur génome en
dépit des conditions défavorables, et d’autre part la
mise en œuvre de mécanismes favorisant la
variabilité quand les conditions deviennent par trop
défavorables.
Les bactéries et phages étudiés au LMGM
représentent des modèles d’intérêt fondamental mais
aussi pour le secteur agro-alimentaire ou la santé.
Ils contribuent à une meilleure compréhension de
leur fonctionnement, afin d’exploiter de manière
rationnelle les micro-organismes utiles et de mieux
combattre les pathogènes.
Contact : Jean-Pierre.Claver[email protected]
Site laboratoire : http://www-lmgm.biotoul.fr
Génomique
Les génomes bactériens :
entre stabilité et dynamique
Le décryptage de génomes bactériens et viraux de plus en plus nombreux permet
de mieux comprendre comment ils évoluent.
dOSSIER
>>> Jean-Pierre CLAVERYS, DR CNRS,
directeur du Laboratoire de
Microbiologie et Génétique Moléculaire
(LMGM, unité mixte UPS/CNRS).
>>> La protéine ParB (en vert), un élément clé de la ségrégation
des chromosomes lors de la division cellulaire chez la bactérie
pathogène opportuniste Burkholderia cenocepacia.